毕业设计（论文）-数控机床的步进电机的速度控制设计.doc

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1、摘 要 本文从解决步进电动机的速度控制设计的软件和硬件的问题上，使步进电 动机能更好的配合数控机床的运转特点，使数控机床能发挥更好的性能。在此 我基于本性质设计了一套合适的速度控制的方法，并灵活的运用数控的软件来 运行数控程序来检验所设计的方法的正确与否。因此我主要从以下三方面进行 介绍。 1. 数控软件的学习和应用 在这部分，主要学习 Mach2 软件的运行界面和操作界面的学习、软件设置 的要点和电机的设置和软件的使用等一些内容；还有 Mach3 数控软件的综述和 Mach3 的控制和运行工件程序的相关知识。通过这部分学习，加深认识了数控 知识的加工过程和编程的相关知识。熟悉了数控软件的安装

2、和应用的相关操作。 2. 步进电动机的设计 通过这项内容，复习步进电动机控制方式和驱动方式、步进电动机的类型 和结构、工作原理、主要特性和步进电动机的驱动控制线路的设计等相关内容 3. 步进电动机的速度控制的设计 在这部分，对步进电动机的速度控制的情况进行设计，包括步进电动机的 选型、步进电动机的速度控制的软件设计和硬件设计两大方面，并且对速度控 制的软件设计是运用 C 语言来控制，此程序比较简单，易懂，学会运用 C 语言 来控制数控机床，也学会了 C 语言和汇编语言的联系。 关键词：数控机床；步进电动机；速度；控制；驱动；数控软件；C 语言 ABSTRACT In this paper,to

3、 solve the speed of stepper motor control software and hardware design issues,we should that stepper motor to enable better co-ordination of the functioning of the characteristics of CNC machine tools to CNC machine tools can play a better performanceI designed based on the nature of an appropriate

4、set of speed control,and flexible use of the software to run NC,NC program designed to test the correctness of the method.Therefore,I mainly introduce the following three aspects. 1.the application and learning of NC software in this part,the main study is Mach2 software interface and operation inte

5、rface,the key of the software settings,the settings of moter and the use of the software and other content.there are the summary of the software of Mach3 CNC,the controlling of Mach3 and the knowledge of procedures for running the workpiece.Through the part of the study,we will have a better underst

6、anding of the CNC machining process and programming knowledge.we are familiar with the installation of CNC software and the application of the operation. 2. Stepping Motor The adoption of the content,review the driving mode and control of the stepping motor,the type and structure of stepper motor,wo

7、rking principle,the main characteristics of the drive and stepper motor control circuit design and other related content. 3. Stepper motor speed control design In this part,tocontrol to the speed of the stepper motors design ,incloding the selection of stepper motor,the two major aspects is software

8、 design and hardware design to controlling the speed of stepper motor.And controlling the speed of software design is to use C language ,this procedure is relatively simple ,easy to understand ,it can tell us how to use C language to control the CNC machine tools, and I can understand the related of

9、 C language and assembly language links. Key word CNC machine tools；Stepping Motor； ratel；Control； Drive； CNC Software；C language 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 本课题的目的.1 1.2 本课题的内容.1 第二章第二章 课题概述课题概述2 2.1 数控软件的学习和应用 2 2.2 步进电动机的设计 2 2.3 步进电动机的速度控制设计 2 第三章第三章 数控软件的学习和应用数控软件的学习和应用.3 3.1 MACH2 的学习和应用.3 3.1.1 软件

10、介绍3 3.1.2 软件设置4 3.1.3 软件使用6 3.2 MACH3 的学习和应用.6 3.2.1 mach3 数控软件综述 .7 3.2.2 Mach3 控制和运行工件程序.10 第四章第四章 步进电动机的驱动和控制步进电动机的驱动和控制17 4.1 步进电动机的基本特点 17 4.1.1 步进电动机的种类和结构17 4.1.2 步进电动机的工作原理.18 4.1.3 步进电动机的主要特性.19 4.2 步进电动机的控制和驱动方式 20 4.2.1 步进电机的控制方式20 4.2.2 步进电机的驱动方式21 4.3 步进电动机的驱动控制线路 25 4.3.1 脉冲混合电路26 4.3.

11、2 加减脉冲分配电路26 4.3.3 加减速电路26 4.3.4. 环形分配器.28 4.3.5. 功率放大器.29 第五章第五章 步进电步进电机机的速度控制的速度控制32 5.1 步进电机的选型 32 5.2 步进电动机加减速曲线控制.35 5.2.1 步进电机的失步和过冲35 5.2.2 加速、减速能力的改进36 5.3 步进电动机速度控制的软件设计.37 5.4 步进电动机的硬件控制法 48 第六章第六章 数控数控机机床的步进电机的展望和发展床的步进电机的展望和发展.50 6.1 步进电机的展望和发展 50 6.1.1 步进电机的发展趋势50 6.1.2 国际市场的开拓及发展对策50 6

12、.2 进给伺服系统的现状与展望 51 参考参考文文献献52 致致 谢谢5353 1 第一章第一章 绪论绪论 毕业设计是我们最后一次较全面的设计训练，是大学四年的最后一次教学 环节；为我们提供了自主学习、自主选择、自主完成的机会；具有实践性、综 合性、探索性、应用性等特点，同时也为启发我们智能以适应工程技术人才素 质要求及学生心理素质的培养，提供了综合训练和实习机会。 1.1 本课题的目的本课题的目的 本课程包括数控软件的学习和步进电动机的速度控制两大主要方面的内容， 由于涉及到 math2 的铣床的学习、math3 的铣床的学习、步进电动机的相关等 复杂的内容，因而具有一定得意义所在，可使学生

13、学习新的知识如学习数控新 软件和步进电动机的相关知识，并且对 C 语言和数控技术的知识加以更深的了 解。通过本课程的学习，要达到两个目的： 其一：学习熟悉和理解现有成熟的数控控制中的步进电动机的控制，进一 步接受和消化先进的数控技术。 其二：可巩固、训练，提高学生的综合实践能力。 通过毕业设计，综合运用专业课程和其他有关课程的理论和实践知识去 分析和解决设计问题，并使学生所学的知识进一步地巩固、深化和发展。 巩固设计的一般方法，通过设计培养正确的设计思想和分析问题、解决 问题的能力。 巩固设计基本技能的训练，如计算、绘图、查阅设计资料和手册、熟悉 标准和规范等。 1.2 本课题的内容本课题的内

14、容 毕业设计的课题：数控机床的步进电动机的速度控制的设计 本毕业设计（论文）包括： 数控技术书的学习和应用 C 语言课本的学习和应用 步进电动机的速度控制程序的编写和设计 程序的调试和应用 步进电机在数控软件的调试应用 设计说明书一份（其中包括步进电机的速度控制的分析和应用、数控软 件的学习和分析和步进电动机的设计说明） 。 2 第二章第二章 课题概述课题概述 2.1 数控软件的学习和应用数控软件的学习和应用 这一部分包括 mach2 软件的学习和 mach3 的学习和应用 通过此项内容，使我所学的数控技术课程的知识得到巩固，运用和深 化。主要在下述方面得到进一步训练。 第一 mach2 软件

15、的界面的学、软件设置和软件的使用 第二 mach3 软件的界面的介绍、软件设置和软件的使用。 第三 mach3 控制和运行工作程序的相关的情况 2.2 步进电动机的设计步进电动机的设计 这一部分包括步进电动机的工作原理、驱动方式、其类型和结构和驱动控 制线路的一些主要情况。 通过此项内容，使我所学的数控技术课程的知识得到巩固，运用和深 化。主要在下述方面得到进一步训练。 第一 对步进电动机的工作原理的学习 第二 对步进电动机的类型和结构有了更深刻的认识 第三 步进电动机的驱动方式有更好的方法 第四 步进电动机的驱动控制电路，对脉冲混合电路、加减速脉冲分配电路、 加减速电路、环形分配器、功率放大

16、器等有了具体的详细的说明。通过上述内 容的学习，我们对步进电动机的相关的知识有了更深入的了解。 2.3 步进电动机的速度控制设计步进电动机的速度控制设计 这一部分包括步进电动机的选型、步进电动机的加减速时间控制、加减速 能力的改进、步进电动机的速度控制的软件设计和硬件设计。 通过此项内容，使我所学的C 语言课程的知识得到巩固，运用和深化。 主要在下述方面得到进一步训练。 第一 较全面的了解步进电动机的速度控制的设计要领； 第二 对步进电动机的速度控制的设计的步骤进行正确的认识，当然，包括 步进电动机 C 语言控制速度控制的设计和硬件设计。 第三 对步进电动机的加减速的控制和能力的改进和加减速时

17、间控制有了更 深入的了解。 第四 让我知道了如何选择一部适合数控机床的步进电动机，并如何才能使 步进电动机发挥更好的结果。 3 第三章第三章 数控软件的学习和应用数控软件的学习和应用 3.1 mach2 的学习和应用的学习和应用 MACH2 软件是目前业余情况下使用较多的 CNC 软件之一，它是一种使用 PC 机并口或 USB 口（需要专用驱动器）控制步进电机的 CNC 软件，使用方便， 但设置、功能多。 特点： 最多支持 6 轴联动 直接使用 G 代码文件 支持 DXF BMP JPG 与 HPGL 直接导入 直观 G-代码 路线显示 可编辑 G 代码文件 主轴变频器控制 即时加工进度显示

18、手动控制功能 可使用并口或 USB 输出通过驱动器控制步进电机 可以运行在 Windows 98/NT/2000/XP 等 32 位操作系统上 3.1.1 软件介绍软件介绍 1、Mach2 软件的该屏幕显示有 7 个界面 图 3-1 软件界面 4 a、 程序运行界面 b、 手工输入界面 c、 手动操作界面 d、 刀路界面 e、 偏移量界面 f、 设置界面 g、 诊断界面 2、程序界面主要内容 a、代码显示区 b、具体轴向位置显示 c、刀路轨迹显示 d、代码执行控制 e、紧急停止按钮 f、手动模式选择 g、主轴控制 3、手工输入界面主要内容 a、具体轴向位置显示 b、手工输入窗口 c、手动模式选

19、择 d、主轴控制 e、紧急停止按钮 4、手动操作界面主要内容 a、具体轴向位置显示 b、手动摇杆控制窗口 c、手动模式选择 d、运行轨迹显示 e、紧急停止按钮 5、诊断界面 该界面主要用于诊断 CNC 设备与软件之间的交换信息。 3.1.2 软件设置软件设置 首先应端口设置，为了满足这个要求需要做六步： 1. 设置端口和引脚 2. 端口设定和轴选择：根据使用的情况，设置端口和轴数。此时应注意， 选择后一定要点击“应用” ，否则不能启用，后同。 3. 输入信号设置：选择需要的输入信号。 5 4. 输入脚分配设置：此时需要的选项必须在上个界面设置后，本界面才可 以设置。 5. 输出信号设置 6.

20、输出脚分配设置 图 3-2 软件设置图 然后再进行电机参数设置，此操作需要进行八步： 1. 选择电机运行参数调整 2. 电机速度和加速度设置 3. 轴向选择 4. 步进电机速度设置：单位每分钟进前毫米。没有细分时电机振动大且易 丢步。一般试时设 30 了。 5. 步进电机加速度设置 6. 单位步数设置：1.8 度的电机转动 1 圈 200 步，8 细分后就是 1600 步， 丝杆导程是 5mm 的，那每 mm 就是 320 步，所以每步的理论精度就是 0.008 了。 7. 每个轴向设置后都必须保存 8. 驱动器所需脉冲的最小宽度和换向时间：因驱动器使用了光藕隔离，不 可避免地带来了信号延迟，

21、为防止因信号延迟而产生丢步，软件应做好相应设 6 置。 最后再进行单位设置：测量设置为公制毫米这样，软件基本的设置就完成 了。 3.1.3 软件使用软件使用 图 3-3 软件使用图 1. 手动校正刀具到工作原点，软件所有轴清零到“0”点 2. 打开文件（G 代码） 3. 选择 G 代码文件 4. 代码载入 5. 电机“开始运行” 6. 点击“停止运行”结束代码执行 3.2 mach3 的学习和应用的学习和应用 数控铣床主要组成部分：工件的设计一般用计算机辅助设计（CAD）和计 算机辅助制造（CAM）或者计算机的其他程序（1） ，工件程序的输出通常以 G 代码的形式（通过网络或软盘） （2）输送

22、到机床的控制系统（3） ，机床控制系 统解读 G 代码并控制刀具（5）被伺服电机或步进电机牵引的螺钉、齿轮、皮 带所带动。机床控制系统所发生地信号被驱动器放大，这样控制系统便能实时 7 有效地控制电动。由于 mach3 软件比较复杂，在这里我主要介绍数控软件的综 述和 Mach3 控制和运行工作程序的情况。 3.2.1 mach3 数控软件综述数控软件综述 1. 界面显示 Mach3 的界面经过精心设计，因此很容易根据您工作方式的把界面用户化。 双击图标运行 mach3，您可以看到图的铣床程序运行界面，但是在界面中各个 数字读出器都为 0，并且没有加载程序。如果不能正常使用，可能是因为有什 么

23、东西插入了井口，或者是因为在安装 mach3 时紧急停止的端口指针配置错误， 点击脱机按钮可以重新使用紧急复位。 界面显示对象，在程序运行界面上您可以看到以下对象： 按钮，如重新设置、停止 Alt-a 等。 数字读出器，所有数字化显示的都是数字读出器，主要的数字读出 器是显示 X，Y，Z，A，B，C 轴的当前位置。 发光二极管，各种不同形状、尺寸。 G 代码显示窗口（带滚动条） 。 刀具显示（在您的屏幕上目前是空白方块） ，还有一类在程序运行界 面上没有显示的重要控制。 手动数据输入框 按钮和快捷键的使用 在标准屏幕上大部分的按钮在键盘上都有热键，热键在按钮的名称后面或 者在按钮附近的标签上，

24、用鼠标点击按钮和点击名称作用是一样的。您可以使 用鼠标和快捷键启动和停止主轴、开启冷却剂以及切换到手动数据输入界面， 值得注意的是快捷键有时候是又Control和Alt键加字母组成的，虽然字母是大写 字母但当您在使用快捷键时也可以输入小写字母。 数字读出器的数值输入 经常向数字读出器输入数据是不可取的，比如主轴实际速度的显示是由电 脑通过Mach3控制的，您所输入的任何数据都将被改写。请您在阅读第7章之后 再通使用数字读出器输入数值。 2. 点动 通过手动使用点动可以将刀具移动到任何一个位置，当然有些机床的刀具 本身就可以移动，有些机床是工作台移动或滑动，在这里我们用用刀具移动表 示。 点动控

25、制是特殊的弹出式界面，通过Tab键可以在显示和隐藏间切换，图 3.4所示为弹出式界面图。 8 图3-4 点动控制 3. 手动数据输入和施教 图 3-5 手动数据输入输入数据 手动输入界面上有输入数据框，您可以通过点击选择输入数据也可以按 Enter 键自动选择，工作程序中出现的任何一行有效程序都可以被输入，按下 Enter 键后工件程序开始执行。当您需要撤销您的输入时按 Esc 键，错误的输入 可以通过 Backspace 键改正。 Mach3能够记住您手动数据输入的行程序并把它们写入文件中，这些文件 可以作为G代码程序反复运行。在手动数据输入界面上点击开始施教按钮，它 旁边的发光二极管将提示

26、您施教已经启动，输入不同的程序行后，按下程序行 后面的返回Mach3将开始运行，并且把它们都保持在Teach的文件夹中，施教完 成时点击停止施教结束施教。 使用编辑功能您可以改正程序的任何错误也可以将程序存在指定的文件夹 内。 9 4. 加工策略特别CAM程序 图3-6 加工策略菜单中的加工策略表格 系统中安装的加工策略将以表格的形式显示，您在程序运行界面上点击加 工策略很容易就可以得到所需要的工件。在这个界面上有一些默认选项，注意 您可以选择加工单位、全圆内精铣的中心，使用的刀具以及工件的材料，但不 是所有的选项都适合您的机床，比如您必须手动设置主轴速度，设置主轴速度 时您可以忽略加工策略界

27、面。 设定完成后点击传输代码（Post Code）按钮，Mach3将自动编写并加载G代 码工件程序，刀具路径将显示刀具路径。您可以通过修改参数减小切屑量或改 变其他设置，值得注意的是设置改变之后必须重新的是设置改变之后必须重新 点击传输代码（Post Code）。 您可以保存当前的设置，下一次运行加工策略的时候初始数据就是当前定 义的数据。 点击退出（Exit）您将回到Mach3的主界面并且可以运行加工策略生成的工 件程序，这个过程往往比阅读本段快的多。 5. 运行G代码 在程序运行界面上您可以试试循环开始（ Start Cycle）、暂停（Pause）、 停止（Stop）和返回程序开头（Re

28、wind）按钮的效果及其捷径。 运行程序时，一列突出的代码会在G代码窗口上以特殊方式运动。Mach3提 前读取程序并设计其运动，避免刀具路径以低于要求的速度运动。暂停时通过 显示器您可以看到提前读取确实在进行。 通过滚动界面您可以看到G代码的任何一行，显示出来的G代码是突出的， 您也可以使用从这里开始（Run from here）从这一行开始运行程序。 运行程序只能从硬盘而非软盘驱动器或USB， Mach3 需要高速读取存在 10 硬盘中的文档，并且文档必须是只读文档。 6. 刀具轨迹显示 查看刀具轨迹 刀具轨迹显示窗口的移动和缩放 7.其他屏幕显示特点 按钮：估计工件程序运行在机床上花费时间

29、。 控制器：控制工件程序所选的进给修调。 数字式读出器：给出加载工件程序所有轴刀具运动范围。 屏幕：显示如何安装Z轴使X和Y运动不会撞到夹具等信息。 屏幕：监控所有Mach3输入输出的逻辑电平（0和1）。 3.2.2 Mach3 控制和运行工件程序控制和运行工件程序 控制在本节的解释控制在本节的解释 1. 界面开关控制系列 每个界面上都有开关控制装置，当您在界面之间切换时他们也不会改变， 仍然会显示系统当前运行状态的信息。 紧急复位（Reset） 表格 界面选择按钮 图3-7 轴的控制系列 使用界面选择按钮可以在各个界面之间切换，它们的快捷键就在它们名称 的后面，虽然快捷键都是大写字母但是您在

30、使用快捷键的时候也可以输入小写 字母。 11 2. 轴控制系列 坐标值数字读出器 定义基准 机械坐标 缩放比例 软件限制 校验 直径或半径修正 3. 定义特殊功能 在各类界面上设置了一些快速精确移动刀具（控制点）到指定位置（如更 换刀具）的按钮，这些按钮包括归零：把所有的轴移动到零点，直达更换刀具 位置，直达Z轴安全位置，直达原点位置。 另外Mach3能记住两个不同的坐标系并到达命令指定的位置，这些功能的 控制按钮是设定基准点和直达基准点以及设定可变位置和直达可变位置。 4. 手动数据输入和施教控制系列 图3-8 手动输入数据框 5. 点动运行控制系列 热键点动：热键点动有三种模式 连续点动、

31、分步点动和电子首轮模式，您 可以使用界按钮点动模式（Jog Mode）并根据发光二极管来选择您所要的模 式。 并口或Modbus电子手轮点动：在电子手轮速度上面是一系列的选择点动模式 的按钮。 主轴速度控制系列：根据机床设计的不同，主轴速度的控制可以分为以下三 种类型：（a）手动设定速度，手动启用和停止：（b）手动设定速度，M代 码通过输出信号启用和停止；（c）使用电子手轮设定速度，或者通过 step/direction驱动。 6. 程序运行控制系列 12 图3-9 程序运行控制系列 程序运行控制系列用于执行加载的工件程序或手动数据输入的命令。 循环开始（Cycle Start） 进给保持 停

32、止 返回程序开头 单行程序运行 程序反向运行 行序数 从这里开始设置下一行 设置下一行 删除程序行 任选停止（Optional Stop）,如果您激活了任选停止，Mach3就回把M01 当成M00处理。 7. 文件控制系列 8. 刀具信息控制系列 9. G代码和刀具轨迹控制系列 G代码显示窗口可以显示当前加载的工件程序，您可以滚动窗口查看工件 程序G代码，当前运行的程序行在G代码显示窗口上是突出的。 刀具轨迹显示窗口将显示控制点在X、Y、Z三个平面的路径，当工件程序运 行的时候刀具轨迹将会重新勾勒，刀具路径的颜色为配置下拉菜单刀具路径对 话框中设置的颜色。重新勾勒的刀具轨迹是动态的，当您切换界

33、面和视角的时 候并不会保存。 10.工件偏移量和刀具库控制系列 工件偏移量和刀具库可以从操作菜单中打开，通常通过此系列操作会更加 方便。因为G代码的基本定义工件偏移量和刀具库在工件原理上有轻微的差异。 注意：改变工件和刀具的偏移量虽然改变了轴的数字读出器的读数，但是事实 13 上刀具并不会移动，设置了新偏移量之后刀具移动命令。 工件偏移量 刀具 直接存储器偏移量表 11.旋转直径控制系列 12.切线控制系列 13.极限和其他控制系列 输入激活 极限修调 14.系统设置控制系列 单位 安全Z 恒速度模式和角极限 脱机 15.编码器控制系列 16.Z轴自动控制系列 17.激光触发器输出系列 18.

34、自定义控制便利 使用加工策略使用加工策略 14 图3-10 加工策略界面 Mach3加工策略是施教功能的扩展功能，通过一个或几个特殊的界面您可以 定义机床的操作，加工策略可以生成G代码控制刀具的切割，加工策略的例子有 圆环精内铣、钻排孔和雕刻。 系统中的加工策略来之不同的作者，因为他们的目的不同因此在控制按钮 上有轻微的差异，但是每个加工策略都包含了把G代码传送给Mach3和返回 Mach3界面的意思，使用大部分加工策略时您都可以保存您的设置，在下一次 运行加工策略时数字读出器上显示的参数不会改变。 加载加载G G代码工件程序代码工件程序 图3-11 加载G代码 如果您有现成的手写工件程序或者

35、CAD/CAM软件编写的程序，您可以使 用加载G代码按钮加载程序，点击加载G代码按钮将弹出一个标准的Windows打 开文件对话框，然后您可以选择需要加载的文件。 文件被选择并打开之后Mach3会加载并分析代码，生成和显示刀具路径， 并且建立程序极限。 被加载的程序代码会在G代码显示窗口显示，您可以使用窗口的滚动条观 看所有的G代码程序。 编辑工件程序编辑工件程序 如果您定义了G代码编辑器程序（配置下拉菜单逻辑对话框），您可以点击 15 编辑对G代码进行编辑，点击编辑之后会打开一个加载了G代码的新对话框。 完成编辑之后保持文件并退出编辑，您也可以直接关闭对话框，系统将提 示您对更改后的文件进行

36、保存。 编辑G代码时Mach3处于暂停状态，Mach3窗口是锁定的，激活Mach3窗口的 办法就是返回并关闭编辑。 Mach3会分析编辑之后的G代码，并生成新的刀具路径和程序极限，任何时 候您都可以点击重新生成按钮生成刀具路径。 手动准备和运行工件程序手动准备和运行工件程序 1. 手写程序的输入 您可以通过以下两种方式编写程序：运行Mach3之外的编辑器并保存文件： 您也可以点击编辑按钮但不加载程序，然后把文件另存为一个新的文件并退出 编辑。 图3-12 在记事本中设置G代码 以上两种情况您都需要使用文件下拉菜单的加载G代码把新的程序加载到 Mach3。 2. 运行工件程序之前 在启动机床运行

37、工件程序之前最好对机床进行相应的测试，您可以输入以 下命令对机床进行测试：G17/G18/G19, G20/G21, G40, G49, G61/G62, G90/G91, G93/G94。 然后您可以选择刀具或部件偏移量。 16 最后，如果程序还没被证实是正确的，您就需要对程序进行试运行，在工 作台上不放任何东西看是否有状况发生。 3.运行程序 在您初次运行程序时您必须格外小心，可能您需要对主轴速度和进给进行 修调、减小噪声以及优化产品，您可以在机床运行时或点击暂停进行更改，更 改完成之后再点击循环开始。 输入其它文件生成输入其它文件生成G G代码代码 Mach3可以把DXF、HPGL和JP

38、EG格式文件转换为G代码。 可以通过一定得途径转换成相应的程序来运行。 17 第四章第四章 步进电动机的驱动和控制步进电动机的驱动和控制 4.1 步进电动机的基本特点步进电动机的基本特点 4.1.1 步进电动机的种类和结构步进电动机的种类和结构 步进电动机的分类方式很多，根据不同的分类方式，可将步进电动机分为 多种类型，如表 4-1 所示。 图 4-7 是一典型单定子、径向分相、反应式伺服步进电动机的结构原理图。 它与普通电动机一样，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁心和定 子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成，其形成如图中所示。定子绕组是绕置 在定子铁心 6 个均匀分布的齿上的线圈，在

39、直径方向上相对的两个齿上的线圈 串联在一起，构成一相控制绕组。图 4-7 所示的步进电动机可构成三相控制绕 组，故也称三相步进电动机。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方 向即图中所示的 NS 极。在定子的每个磁极上，即定子铁心上的每个齿上又开 了 5 个小齿。齿槽等宽，齿间夹角是 9，与磁极上的小齿一致。此外，三相 定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开 1/3 齿距，如图 4-8 所示。当 A 相磁 极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B 相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子 齿 1/3 齿距角，C 相磁极齿超前（或滞后）转子齿 2/3 齿距角。 图 4-7 单定子径向分相反应式伺服 步进电

40、动机结构原理图 表 4-1 步进电动机的分类 分类方式具体类型 按力矩产生的原理(1) 反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力距实现 步进运行 18 (2) 激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢） ，由电 磁力距实现步进运行 按输出力矩大小 (1) 伺服式：输出力矩在百分之几 N.m,只能驱动较小的负载，要 与液压扭矩放大器配合，才能驱动机床工作台等较大的负载 (2) 功率式：输出力矩在 550N.m 以上，可以直接驱动机床工作 台等较大的负载 按定子数(1)单定子式；(2)双定子式；(3) 三定子式；(4) 多定子式 按各组绕组分布(1) 径向分相式：电动机各相按圆周依次

41、排列 (2) 轴向分相式：电动机各相按轴向依次排列 4.1.2 步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理 步进电动机的工作原理实际上时电磁铁的作用原理。以图 4-8 所示为例， 当 A 相绕组通电时，转子的齿与定子 AA 上的赤对齐。若 A 相断电，B 相通电， 由于磁力的作用，转子的齿与定子 BB 上的齿对齐，转子沿顺时针方向转过 3， 如果控制线路不停地按 A-B-C-A的顺序控制步进电动机绕组的通断电，步进 电动机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为 A-C-B-A，步进电动机 的转子将逆时针转动。这种通电方式称为三相三拍，而常用的通电方式为三相 六拍，其通电顺序为 A-AB-B-B

42、C-C-CA-A及 A-AC-C-CB-B-BA-A，相应地， 定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过 1.5。 、 、 、 C、 B、A、 6 图 4-8 步进电动机的齿距 综上所述，可以得到如下结论： (1)步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个 确定的角度，即步进电动机的步距角 ； (2)改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变； (3)步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转地速度 越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高； 19 (4)步进电动机步距角 与定子绕组的相数 m、转子的齿数 z、通电方 式 k 有关，可用下式表示： =

43、360/(mzk) 式中，m 相 m 拍时，k=1;m 相 2m 拍时，k=2。 4.1.3 步进电动机的主要特性步进电动机的主要特性 (1) 步进角和静态步距误差 步进电动机的步距角 shi6 决定开环伺服系 统脉冲当量的重要参数，数控机床中常见的反应式步进电动机的步距角一般为 0.53，一般情况下，步距角越小，加工精度越高。静态步距误差指理论的 步距角和实际的步距角之差，以分表示，一般在 10之内。步距误差主要由步 进电动机齿距制造误差、定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等 因素造成的。步距误差直接影响工作地加工精度以及步进电动机的动态特性。 (2) 启动频率 fq。空载时，步进

44、电动机由静止突然启动，并进入不丢步的正 常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率，用 fq 表示。若启动时频 率大于突跳频率，步进电动机就不能正常启动。fq 与负载惯量有关，一般说来 随着负载惯量的增长而下降。空载启动时，步进电动机定子绕组通电状态变化 的频率不能高于该突跳频率。 (3) 连续运行的最高工作频率 fmax 步进电动机连续运行时，它所能接受 的，即保证不丢步运行的极限频率 fmax，称为最高工作频率。它是决定定子绕 组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电动机的最高转速。其值远大 于 fq，且随负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。 (4) 加减速特性 步进电动

45、机的加减速特性是描述不技能电动机由静止到工 作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与 时间的关系。当要求步进电动机启动到大于突跳频率的工作频率停止时，变化 速度必须逐步下降。逐步上升和下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会 出现失步或超步。我们用加速时间常数 Ta和 Tb来描述步进电动机的升速和降 速特性，如图 4-9 所示。 20 图 4-9 加减速特性曲线 (5) 距频特性与动态转矩 距频特性 M=F(f)是描述步进电动机连续稳定运 行时输出转矩与连续运行频率之间的关系。如图 4-10 所示，该特性上每一个频 率对应的转矩称为动态转矩。可见动态转矩随连续运行频

46、率的上升而下降。 上述步进电动机的主要特性除第一项外，其余均与驱动电源有很大关系。 驱动电源性能好，步进电动机的特性可得到明显改善。 0 4812 16 1 2 3 f/x103 Hz Md/(N.m) 图 4-10 转矩-频率特性曲线 4.2 步进电动机的控制和驱动方式步进电动机的控制和驱动方式 4.2.1 步进电机的控制方式步进电机的控制方式 如果通过单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制电机的转 动，从而实现数字角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动 的速度与脉冲频率成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。以三相步进电机 为例，电流脉冲的施加共有三种方式。 （1）

47、单相三拍方式-按单相绕组施加电流脉冲 ABC 正转 ABC 反转 （2） 双相三拍方式-按双相绕组施加电流脉冲 ABBCCA 正转 AC CB AB 反转 （3） 三相六拍方式-单相绕组和双相绕组交替施加电流脉冲 AABBBCCCA 正转 A AC C CB BBA 反转 单相三拍可以在绕组断电时，通过续流二极管将储存在绕组中的电能消耗 在电阻上，表现为电流波形下降的速度加快，下降时间减少。双三拍与单三拍 的另外不同之处是：双三拍工作时的磁导率最大位置并不是转子处于对齿的位 置，并且双三拍还有一个优点，就是不易产生失步，而单三拍由于是单相通电 21 励磁，不会产生阻尼作用，因此当工作在低频区时

48、，由于通电时间而使能量过 大，易产生失步现象。六拍工作时的步距角要比单三拍和双三拍时的步距角小 一步，所以步进精度要高一倍，六拍工作方式的性能最好，单三拍工作方式的 性能较差。 单相三拍方式的每一拍步进角为 3三相六拍的步进角则为 1.5。因此， 在三相六拍下，步进电机的运行反转平稳柔和，但在同样的运行角度与速度下， 三相六拍驱动脉冲的频率需提高一倍，对驱动开关管的开关特性要求较高。 4.2.2 步进电机的驱动方式步进电机的驱动方式 步进电电机的驱动方式有多种，可以根据实际需要来选用。分为单电压驱 动、全电压驱动、高低压法等几种形式，下面我主要介绍以下几种。 1单电压驱动 单电压驱动是指电动机绕组在工作时，只用一个电压电源对绕组供电。特 点是电路最简单。图 4-2 就是一个例子，它只是一个电源 V。电路中的限流电 阻 R1决定了时间常数。可在 R1两端并联一个电容，以便电流的上升波形变陡， 来改善高频特性，但这样做又使低频性能变差。 R1在工作中要消耗一定的能量，所以这个电路损耗大，效率低。一般只用 于小功率步进电动机的驱动。 图 4-2 步进电动机的驱动电路 2双电压驱动 用提高电压的方法可以使绕组中的电流上升波形变陡，这样就产生了双电 压驱动。双电压驱动有两种方式：双电压法和高低压法。 22 图 4-3 双电压驱动原理图 双电压法 双电压法的基本路