两相混合式步进电机的控制.doc

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1、摘 要本课题是LPM驱动控制系统的子课题 。本设计以日本神钢电机株式会社生产的两相混合式直线脉冲电机SLPMU-025A为样机，对直线脉冲电机的驱动控制系统进行了研究，以AT89C51单片机作为控制器，采用专用的恒流细分驱动器，设计制作了驱动控制装置，具有对样机启停 正反相 调速 定位等控制 记录和显示等功能。运行实验表明，该系统性能稳定，结构简单，调试方便，可作为对直线脉冲电机本体进一步研发的配套设备。关键词: 步进电动机 直线脉冲电机 驱动器 单片机AbstractTaking SLPMU-025A, a two-phase hybrid LPM manufacturing by SHIN

2、KO Motor Company Ltd,as an specimen,the study on the drive control system is carried out in this thesis, Introduction to AT89C51 single chip microcomputer as controller and special micro-step constant current driver,the apparatus of driver control is designed and made,which can function as the contr

3、ol ,the record,the display to start-stop,forward and reverse,speed regulation,allocation of the specimen.It is demonstrated by running test that this system is characterized by stable performance,simple structure and convennience setting,so it can be used as a auxiliary equipment of the further deve

4、lopment on the LPM itself.Keywords：Stepping motor Linear pulse motor Driver Single chip microcomputer目 录第一篇 绪论1第一章 步进电机的概述1第一节 步进电机的分类与特点1第二节 直线脉冲电机的优越性4第三节 直线脉冲电机的国内外发展概况及应用5第二章 步进电机驱动器的概述7第一节 步进电机驱动器的构成8第二节 国内外研究驱动器的概况及发展趋势10第三章 步进电机细分驱动的研究现状11第四章 LPM细分驱动研究的背景、意义14第二篇 直线脉冲电机的结构和运行工作原理15第一章 直线脉冲电机的

5、分类15第一节 变磁阻式LPM16第二节 混合式LPM17第三节 两种类型直线脉冲电机的比较和应用20第二章 本文研究用样机SLPMU025A简介21第三篇 步进电机驱动器的研究22第一章 步进电机驱动系统简介22第二章 LPM的驱动方法23第一节 LPM驱动的特点23第二节 步进电动机的各种驱动方法23第三节 LPM的驱动方法25第四篇 LPM的微步驱动34第一章 细分驱动必要性34第一节 细分驱动的特点35第二节 步进电机的细分驱动技术36第二章 LPM的微步驱动37第一节 LPM微步驱动的原理37第二节 LPM微步驱动的实现37第三章 用EPROM构成的环形分配器41第五篇 SLPMU0

6、25A样机驱动控制系统的设计44第一章 A T89C51单片机简介44第二章 硬件电路的设计45第三章 软件设计47结 论49致 谢50参考文献51ii 两相混合式步进电机的控制第一篇 绪论第一章 步进电机的概述步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构，由步进电机及其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步距角)。脉冲输入越多，电机转子转过的角度就越多；同时，输入脉冲的频率越高，电机的转速就越快。因此可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机

7、转动的速度，从而达到调速的目的。 第一节 步进电机的分类与特点从广义上讲，步进电动机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。从结构特点进行分类，一般常用的电磁式步进电动机主要有旋转电机和直线电机两种类型。在小型电动机中，一般多段结构形式较少采用，绕组形式多为圆周分布型和轴向环行线圈型。步进电机的种类，根据自身的结构不同，可分为常用的三大类: （1）反应式步进电机(Variable Reluctance，简称VR)反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。（2）永磁式步进电机(Per

8、manent Magnet，简称PM)永磁式步进电机的转子采用永磁材料制成，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(相比反应式)；但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。（3）混合式步进电机(Hybrid，简称HB)混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动

9、小。混合式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。但混合式步进电机结构复杂，成本较高。 步进电机具有自身的特点，归纳起来有： （1）步进电机最大特征是能够简单的做到高精度的定位控制以5相步进电机为例，其定位基本单位(分辨率或称步距角)为0.720(整步)/0.360(半步)，是非常小的;停止定位精度误差皆在每步3-5%以内，且无累积误差，故可达到高精度的定位控制。（2）位置及速度控制简便步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数量做固定角度的旋转而得到灵活的角度控制(位置控制)。因为速度和输入脉冲的频率成正比，运转速度可在相当宽范围内平滑调节。（3）可以直接进行开环控制因为步距误差不长期累

10、积，可以不需要速度传感器以及位置传感器，就能以输入的脉冲数量和频率构成具有一定精度的开环控制系统。（4）高可靠性不使用电刷，电机的寿命长，仅取决于轴承的寿命。（5）具定位保持力矩永磁式、混合式步进电机在停止状态下(无脉冲信号输入时)，仍具有励磁保持力矩，故即使不靠机械式的刹车，也能做到停止位置的保持。（6）中低速时具备高转矩步进电机在中低速时具有较大的转矩，能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。步进电机具有以下优点：（1）步距值不受各种干扰因素的影响它的速度主要取决于输入的脉冲频率，转子运动的总位移取决于输入的脉冲总数，相对来说，电压的大小、电流数值、波形和温度的变化等都不影响步距值。（2）误

11、差不积累步进电动机每走一步的实际步距值与理论值总有一定的误差，走任意步数之后也总有一定的误差，但是因为每转过一转的累积误差为零，所以步距的误差不是积累的。（3）控制性能好改变通电顺序，就可以方便的控制电动机正转或反转，启动、转向、制动、转速及其他任何运动方式的改变都可以在少数脉冲内通过改变电脉冲输入达到控制的目的，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢失一步。（4）步进电动机还有自锁能力当步进电动机停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续保持通电时，则电动机可以保持在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上，能够实现停车时转子定位。 同时，步进电机也有自己的一些缺点:（1）步进电机带惯性负

12、载的能力较差。（2）不能直接使用普通的交直流电驱动，而必须使用专用设备步进电机驱动器。（3）输出转矩随转速的升高而下降。（4）从应用的角度来看，严重制约步进电机的两个问题是失步和振荡。由于步进电机在大多数情况下采用开环运行的方式，它的主要运行性能完全依赖于驱动器、负载和电机本身。有多种情况会产生失步，比如起动或停止频率超过了突跳频率，脉冲频率超过了连续运行频率，电机高速运行的脉冲频率超过了最大运行频率，所带负载转矩超过了起动转矩以及步进电动机的振荡等。通过改变驱动器的性能，可以减小运行中失步的可能。步进电机的低频振荡是另一个需要解决的问题。步进电机在极低频率下做连续步进运行，即每改变一次通电状

13、态，转子转过一个步距角。如果阻尼较小，这种运动是一个衰减的振荡过程，转子是按自由振荡频率振荡几次才衰减到新的平衡位置而停止下来。每来一个脉冲，转子都从新的转矩曲线的跃变中获得一次能量的补充，这种能量越大，振荡越厉害。当脉冲频率等于或者接近于电机的自由振荡频率时电机会出现严重的振动，甚至失步导致无法工作，这就是步进电机的低频共振现象。这种缺陷严重影响了步进电动机在性能要求较高的精密仪器控制系统中的应用。为了改善步进电动机的运行品质，对振荡进行抑制，产生了各种阻尼方法，而细分驱动技术是一种可以显著改善步进电动机综合运行性能的方法，它可以有效的克服低频共振的危害。 第二节 直线脉冲电机的优越性过去，

14、在各种工程技术中需要直线运动时，一般是用旋转电机通过曲柄连杆或蜗轮蜗杆等传动机构来获得的。但是，这种传动形式往往会带来结构复杂，重量重，体积大，啮合精度差且工作不可靠等缺点。而与旋转电机传动相比，直线脉冲电机则可克服这些缺点，它所具有的突出优势，己越来越引起人们的重视，由直线脉冲电机驱动的装置与系统所具有的优越性概括如下:（1）整个系统得到简化直线脉冲电机由于不需要任何中间转换装置，因而使整个系统得到简化，保证了运行的可靠性，减小了振动和噪音，提高了传递效率，降低了制造成本，并且易于维护。（2）可实现快速响应用直线脉冲电机驱动时，由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响，因而加速和减速时间短

15、，可实现快速起动和正反向直线运动。（3）减小机械损耗由于直线脉冲电机是通过电能直接产生直线电磁推力的，其运动时可以无机械接触，使传动零部件无磨损，从而大大减少了机械损耗。（4）某些特殊场合使用由于直线脉冲电机结构简单，而且它的初级铁心在嵌线后可以用环氧树脂等密封成整体，所以可以在一些特殊场合中应用，例如可在潮湿甚至水中使用，可在有腐蚀性气体或有毒、有害气体中应用，亦可在几千度的高温下或几百度的低温下使用。（5）散热面积大，容易冷却由于直线脉冲电机结构简单，其散热效果也较好，所以这一类直线脉冲电机的热负荷可以取得较高，并且不需要附加冷却装置。（6）装配灵活性大，可将电机和其它机件合成一体由上可见

16、，由直线脉冲电机驱动的装置与系统在一些合适的场合上具有很大的优势。不久的将来，它将像微电子技术和计算机技术一样，在人类的各个领域中得到广泛的应用。当然，任何事物都不可能十全十美的，直线脉冲电机也不例外，它也存在着一些不足之处，主要表现在与同容量旋转电机相比，直线脉冲电机的效率和功率因素要低，尤其在低速时比较明显。总体来说，直线脉冲电机在一些合适的直线运动装置或系统中，是很有发展前途的，也是能发挥很大作用的。 第三节 直线脉冲电机的国内外发展概况及应用直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要通过任何中间转换机构的特种电机。它是2 0世纪下半叶电工领域中出现的具有新原理、新理论的新技

17、术。它具有结构简单、传动效率高、运行可靠、直线速度可调、噪声小、热负荷高、耐腐蚀、耐高温等优点，用途十分广泛，是一种很有发展前途的电机新品种。早在1840年，惠斯登(Wheatstone)就开始提出并试制了略具雏形的直线电动机，但没有成功。从那时至今，直线电机一直在不断的发展和完善中，先后经历了探索试验、开发应用和实用商品化三个阶段。近50年来，直线电机发展很快。1945年美国的Westinghouse电气公司首先研制成功名为“Electrupult” 的电力牵引飞机弹射器。它以7400KW的直线电动机为动力，成功地用4.1s时间将一架重4500kg的喷气式飞机在102m行程内由静止加速到18

18、5km/h的速度。它的试验成功，使直线电动机的优点受到重视。继此又出现多项成果。例如，1952年美国研制成核工业用的利用直线感应电动机原理抽取液态钠钾的电磁泵；1954年英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直流直线电机制造成了发射导弹的装置。但是这个时期直线电机始终没有能够得到真正的应用。1962年英国展示了用直线电动机传动的列车模型(轨道长914m)；日本的宇佐美等着手研究无摩擦传动及无接触悬浮装置；1965年前苏联出版液态金属电磁输送一书；美国Skineer Preci公司出售了名为Polynoid的圆筒形直线电动机，直线电动机正式以商品的形式进入市场。与此同时，直线电机理论也取得了很大的发

19、展，有关的文献和书刊不断出版。1966年英国出版Laithwaite的著作“特殊用途感应电动机”，为直线感应电动机理论奠定了基础。此后，直线电动机进入了蓬勃发展阶段。许多国家为了把直线电动机用作高速地面运输的推进装置，开展了大量研究工作。速度为5OOkm/h左右的高速列车的技术问题相继获得解决。与此同时，各类直线电动机的工业应用也得到迅速发展，制成了不少具有实用价值的装置，如直线电动机传动的电动门、电磁搅拌器、传送带、自动绘图仪、计算机磁盘定位机构等。低速直线电动机在不少国家已有系列产品可供选用。 近年来，日本正在研究直线电动机传动的高速垂直运输装置，拟用于超高层建筑的高速电梯。同时，直线电动

20、机传动的三维空间运输系统获得成功，电动机能水平和垂直运动，并能转弯，已用于医院中安放药品、试样、材料的盒箱的空间运输。使用直线步进电动机的人工心脏和使用直线直流电动机的电磁推进船的研究正在进行之中。此外，直线电动机在传动小车、搬运钢管、搬运钢板、传送器件等方面己有成熟的应用。直线脉冲电机，它的发展历史虽然比较短，但由于其自身的优越性，其应用的领域已很广泛。绘图仪、打印机、软盘驱动器等计算机外围设备中的应用被认为是直线脉冲电机应用的主要领域，如美国惠普公司生产的XY绘图仪和IBM公司生产的高速打印机以及计算机磁盘的磁头驱动均采用直线脉冲电机；美国奥基电气公司在软盘驱动方面则采用圆柱型直线脉冲电机

21、等。在数据设备、情报设备中直线脉冲电机也有着广泛的应用。另外，日本正在进行将直线脉冲电机作为人工心脏动力源的研究工作，从而将直线脉冲电机的应用拓展到一个全新的领域。此外，集成电路制作、焊接封装等工业生产流水线上，智能机械手和智能机器人中都需要高定位精度、高可靠性的直线运动驱动器，而直线脉冲电机很容易与微型计算机相结合构成这种驱动器，所以在工业生产线上和机械制造加工领域直线脉冲电机有很好的发展前景。我国自上世纪70年代以来，直线脉冲电机的研究发展很快。中国科学院电工研究所和上海工业大学、西安交通大学、浙江大学、太原理工大学等高等学校以及一些科研单位和厂矿企业，在直线脉冲电机的理论研究和工业应用中

22、取得了许多成果。在直线脉冲电机应用方面成果丰富，如煤矿井口推车机、电动门、送料机械手、铁路栏道栅、调车场加减速器、电磁打箔锤、窗帘开闭器、浮法玻璃搅拌机等都获得推广应用。由此可见，直线脉冲电机是一种很有发展前途的高科技直线运动驱动装置。第二章 步进电机驱动器的概述由于步进电机系统具有开环控制精度高，控制形式较为简单，易于实现数字化控制等特点，从而在数控机床、自动化生产线、工业仪器仪表、计算机设备、医疗仪器、家电产品、舞台灯光等许多领域得到了广泛的应用，成为目前不可或缺的重要电机组件。步进电机从原理及结构上可分为反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机以及特种步进电机等。从绕组个数上又可分

23、为二相、三相、四相、五相、六相，直到九相步进电机等。我国的步进电机行业起步较早，并一度以反应式步进电机的生产与应用成为国际电机行业的一大特色，目前，仍有许多国内用户使用反应式步进电机。混合式步进电机的特点是力矩大、运行平稳、高频矩频特性好，在欧美、日本等许多发达国家应用十分广泛。与此同时，与其相适应的驱动技术的发展也十分迅速。我国步进电机的应用虽起步较早，但其驱动技术的发展相对落后，成为制约步进电机应用与发展主要的因素。从驱动技术应用的发展历程上看，先后经历了单电压串电阻驱动、双电压驱动、高低压驱动、升频升压驱动、恒流斩波驱动等阶段，目前已进入恒相电流与细分技术相结合的技术阶段。 众所周知，步

24、进电机系统的主要性能，是由步进电机自身的性能以及与之配套的驱动器的性能两部分决定。这是因为，步进电机自身的性能需要通过一个相应的驱动器将其驱动工作后，对其进行测试方知。驱动器性能的优劣，会直接影响到步进电机性能的测试结果。另一方面，衡量驱动器性能的优劣也离不开步进电机的配合，驱动器的性能也都体现在电机运转的性能上。因而，在步进电机系统中，驱动器和步进电机是密不可分的。 不同驱动器引发的步进电机性能上的差异，不仅体现在输出力矩的大小及高频矩频特性上，还体现在电机反应速度、消除电机运转过程中的振动、电机在固有共振点附近运行平稳性等多方面。总之，随着步进电机驱动技术的不断更新，以及用户要求的不断提高

25、，步进电机驱动器产品必定会向着更小型化(模块化、单片IC化)、高效率、高可靠性、低价位的方向发展。技术是产品发展的命脉，用户的要求是产品发展的原动力。第一节 步进电机驱动器的构成 直线步进电动机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用的直线步进电动机驱动器。直线步进电动机驱动系统的性能，除与电动机自身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的性能。直线步进电动机驱动器的主要构成一般由环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等各部分组成，用于功率步进电动机的驱动器还需要有多种保护电路。 环形分配器用来接收来自控制器的CP脉冲，并按直线步进电动机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止的信号。

26、每来一个CP脉冲，环形分配器的输出转换一次。因此，直线步进电动机转速的高低、升降速、起动或停止都完全取决于CP脉冲的有无或频率的高低。同时，环形分配器还必须接收控制器的方向信号，从而决定其输出的状态转换是按正序或者反序转换，由此决定直线步进电动机的运行方向。 从环形分配器输出的各相导通或截止信号送入信号放大级与处理级。信号放大的作用是将环分输出信号加以放大，并送入推动级，这中间一般既需要电压放大，也需要电流放大。 信号处理是实现某些转换、合成的功能，并产生斩波、抑制等特殊功能的信号，从而产生特殊功能的驱动。本级还经常与各种保护电路、各种控制电路组合在一起，形成较高性能的驱动输出。 推动级的作用

27、是将较小的信号加以放大，变成足以推动驱动级的较大的信号。有时推动级还有电平转换的作用。保护级的作用是保护驱动级的安全。一般可以根据需要设置过电流保护、过热保护、过压保护、欠压保护等。有时还要对输入信号进行监控，发现输入异常并提供保护工作。 第二节 国内外研究驱动器的概况及发展趋势步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移（或线位移）的机电元件，步进电动机不能直接接到普通的交直流电源上工作，必须使用专用设备步进电动机驱动器。步进电动机系统是由步进电动机及其驱动器两部分构成的。步进电动机系统的性能，不仅取决于步进电动机本身的性能，而且在很大程度上取决于驱动器的性能。采用电流控制技术及细分驱动技

28、术，准确有效地控制电机绕组电流，进一步提高步进电动机系统的运行性能和控制要求的适应性，是步进电动机驱动器发展的主要趋势。同时，集成化、模块化、低成本也是步进电动机驱动器发展的必然趋势。集成化、模块化有利于提高驱动器的可靠性和电磁兼容性，减小驱动器的体积，进一步扩大其应用领域。近年来，随着新材料、电机设计与制造技术、电力电子技术、控制技术、微电子技术、大功率电力电子器件及驱动技术的进步，步进电机在自动化领域的应用也越来越广泛。我国的步进电机行业起步较早，并一度以反应式步进电机的生产与应用成为国际电机行业的一大特色，目前，仍有许多国内用户使用反应式步进电机。混合式步进电机的特点是力矩大、运行平稳、

29、高频矩频特性好，在发达国家中，越来越广泛的使用性能优越的五相和三相混合式步进电机。步进电机驱动技术的发展也十分迅速。我国步进电机的应用虽然起步较早，但其驱动技术的发展相对落后，成为制约步进电机应用与发展的主要因素。国内仍有不少用户沿用已被国外淘汰的单电压串电阻等落后的驱动方式，驱动器电路中使用分立元件居多，可靠性差，且各厂家的驱动技术规范、技术等级、生产工艺参差不齐。目前发达国家的驱动器已进入恒相电流与细分技术相结合的技术阶段，使步进电机低速运行振荡很小、高速运行时转矩维持不变。在步进电机驱动技术上，一方面由于采用了斩波恒流控制、SPWM(正弦脉宽调制)和细分技术以及最佳升降频控制，大大提高了

30、步进电机运行快速性和运动精度，使步进电机在中、小功率范围内向高速精密化领域渗透；另一方面在电路设计方面，驱动器电路普遍采用单片机加上外围电路，或用专用SPWM芯片甚至DSP来产生SPWM波来控制功放电路上开关管的通断，从而控制各相绕组细分电流的大小。步进电动机系统在各种数字控制系统中的应用越来越广泛，各种数字控制系统对步进电动机系统的性能和使用条件的要求也越来越高。这就要求不断地研制出高性能、高可靠性、高集成化、低价位的驱动器来满足要求。 第三章 步进电机细分驱动的研究现状步进电机细分驱动技术是上世纪70年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动控制技术。1975年美国学者T

31、RFredriksen首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电机步距角细分的控制方法。在其后的二十多年里，步进电机细分驱动技术得到了很大的发展，并在实践中得到了广泛的应用。实践证明，步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角，提高步进运行的平稳性，增加控制的灵活性等。国内外研究步进电机细分驱动的文献很多，分别对细分数、均匀步距、恒转距、低噪音、低振动、抗干扰等方面进行研究。总结分析这些研究的特点如下：（l）细分电压波形的产生普遍采用可逆循环计数器、EPROM存储器和D/A转换器三者构成的结构，结合驱动线路按步进电机励磁状态转换表求出所需的环形分配器输出状态表，以二进制码的形式依次存

32、入EPROM存储器中，在线路中只要按照地址的正向或者反向顺序依次取出地址的内容，经过D/A转换器输出所需的控制波形。此模式实际上是一种软硬件结合的技术，通过对EPROM存储器的软件编程即可实现不同细分波形的输出。（2）由于步进电机的电机绕组电流与电机转子转角之间的非线性关系，而且这种关系复杂，很难找到一种统一而简便的函数表达式，只能采用近似的方法。获得近似均匀步距的细分波形的常用方法有以下三种：数值插值法、近似波形法、曲线拟合法。然后经过进一步实验修正，最终达到近似均匀步距。（3）专用性是步进电动机细分驱动的又一特点，各研究单位基于不同的目标和机型开发不同的细分驱动电路。一般都具有较强专用性，

33、基于功率、微步距指标、噪音指标等参数的不同要求，驱动电路不能“兼容”。一旦应用指标、电机型号改变，驱动系统必须重新设计。通过以上分析，步进电机细分驱动理论已趋于成熟，但目前细分驱动器的开发仍有以下不足：（1）需要器件较多，足够容量的EPROM存储器的数量由电机的定子绕组相数决定，相数越多需要的存储器个数越多。因此系统占用空间较大，不符合步进电机系统的轻、薄、短小的发展趋势，而且抗干扰能力差。（2）对励磁状态转换表的修正是相当繁琐的过程，需要对修改后的状态表程序重新烧录到EPROM存储器中编译调试。而且，在开发的过程中，需要如此反复修正，工作量相当大、相当繁琐。（3）细分驱动器一旦做成电路板修改

34、困难，需重新布线、制扳。在实际系统中，步进电动机和驱动器是两个不可分割的组成部分。步进电动机驱动系统的性能，除与电动机自身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。因此，对步进电动机驱动器的研究几乎是与步进电动机的研究同步进行的。比较我国与国外步进驱动器的研究应用现状，有如下特点：（1）反应式步进电动机驱动器仍占较大比重在我国，步进电动机的研究总体起步较晚，但一开始就得到重视，有大量科研院所投入到研究中去，赶上了反应式步进电动机的研究大潮，因此在这一领域的研究异常活跃。反应式步进电动机的盛行，几乎制约了混合式步进电动机驱动器的发展：已采用反应式步进电动机的，由于担心采用混合式步进驱动器会

35、增加成本而不愿改进；未采用步进驱动器的，则只看到了（反应式）步进电动机的不足，从而放弃采用步进驱动器，直接选用交流或直流伺服。只是等到近年大批进口设备涌入我国，而这些设备大多数采用了混合式步进驱动器，混合式步进驱动器才开始为人们所熟悉和接受。（2）生产和应用规模较小在国外特别是工业发达国家，步进驱动器早已实现规模化生产，比如，德国的BL公司已达到年产15万多套的规模，日本ORIENTOR公司年产200余万套等。我国具备年产万余套的厂家也难觅一二。（3）小功率驱动器为主由于步进电动机（特别是高分辨率步进电动机）属于需要精加工的一类电动机，大功率的步进电动机的生产并不适合于生产线进行批量生产，因此

36、，目前国内外均以小功率为主。当然，生产大功率步进驱动器的难点不仅是电动机生产方面的问题，驱动器的安全可靠性及简化和降低成本也是问题。（4）驱动器技术落后于电动机技术 长期以来，我国电子工业基础较差，半导体元器件及集成电路工艺比较落后，这些都制约着驱动技术的进步。相反地我国自行设计的混合式步进电动机在许多指标上已优于进口电机。（5）规格品种繁多，生产格局复杂从步进电动机驱动器发展历史来看，经历了一个从反应式步进电动机驱动器到混合式步进电动机驱动器的发展过程，而混合式步进电动机则既有相数的不同，如2相、3相、4相、5相、9相等，又有齿数的不同，如齿数25、50、60等。使得步进单元规格品种繁多，生

37、产格局复杂，对用户选用也不利。作为工业化水平标志之一的是工业自动化程度的高低，驱动器是实现自动化的执行单元，可以说是一个重要的环节，步进驱动器以其组成系统简单方便，成本低，分辨率高，高可靠性，始终处于不可替代的地位。在今天世界各国都在大力提高工业自动化水平之际，我们有理由相信步进驱动器，特别是混合式步进驱动器将会得到更大的发展。为适应生产要求，混合式步进驱动器必然向更高的动态特性和更宽的调速范围方向发展。为简化生产格局，必然要求混合式驱动器在满足驱动功率要求及刚度时具有更好的互换性，主要是步距角方面的。也就是说使同一驱动器能满足用户的几乎任意步距角的要求。这些正是本文研究混合式步进电动机驱动器

38、的目标。 第四章 LPM细分驱动研究的背景、意义 随着步进电机在数控机械、OA机器中的应用，对小步距、低振动和低噪声的步进电机要求愈来愈迫切。步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备步进电动机驱动器。步进电机驱动系统的性能，除与电机自身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的性能。因此，对步进电动机驱动器的研究几乎是与对步进电机的研究同步进行的。 步进电机在低频运行时振动严重，而且有较大噪音。由步进电机运行的特殊机理可知，其振动和噪声比其他类型的微电机都高。它不但影响人们的生活和工作，还使物理装置和设备疲劳或失效，或干扰其他信号的感觉和鉴别。此缺点使步进电机一般只能应用在一些

39、要求较低的场合。在要求较高的场合，只能采用闭环控制，增加了系统的复杂性。更重要的是，这些缺点严重限制了步进电机作为优良的开环控制组件的更有效利用。细分驱动技术在一定程度上有效克服了步进电机的以上两个缺点。微步驱动技术的应用标志着步进电动机驱动器的发展水平进入了一个全新的阶段，日益引起人们的高度重视，应用该技术可将步进电动机的脉冲细化，减小步距角，保证电动机在低速平稳运行，在电机相数和极数一定的情况下能提高电机的分辨率，实现精确定位，采用斩波恒流细分驱动技术，能有效地控制电机绕组电流，进一步提高步进电机系统的运行性能，它必将成为步进电动机控制驱动器发展的主要趋势。第二篇 直线脉冲电机的结构和运行

40、工作原理据前一篇的论述可知，本系统电机选用直线脉冲电机。在本篇中，将重点论述变磁阻式直线脉冲电机和混合式直线脉冲电机的结构、运行工作原理以及控制技术方面的问题，对两种直线脉冲电机进行比较。 第一章 直线脉冲电机的分类直线脉冲电机是一种将输入的电脉冲信号直接转换成微步直线运动的驱动装置，当这种电机外加一个电脉冲，电机就会直线地运动一步，故称直线步进电机。输入直线步进电动机绕组的电流既不是直流电，也不是正弦交流电，而是脉冲电流，所以又称它为直线脉冲电机，输入直线脉冲电机的电流脉冲信号，可由数字控制器或微处理器来提供。该电机无需直线位置传感器，可实现不丢步、不越步状态下的长行程、快速可逆运行，单片机

41、的数字控制可完成高质量的控制品质要求，还可有效消除行程末端的机械冲击，抑制噪声，采用细分技术可使电机运行更具有平稳性。 为满足精密直线驱动技术的要求，20多年来，直线脉冲电机在国内外得到了较大的发展。直线脉冲电机具有在开环条件下，能够直接提供精密而可靠的直线位移、速度和加速度控制，这是直流电机和感应电机所不能做到的。它不仅能够实现静态和动态定位，而且具有自锁等优点，使得它在各种精密设备如自动绘图仪、计算机设备、智能仪器仪表、机器人、电子设备以及各种自动化检测和控制等领域中得到很大的发展，是一种理想的高速、高可靠性，高定位精度的直线运动驱动装置。尽管直线脉冲电机的设计方案很多，内部结构设计可以是

42、各种各样的，但就其电磁推力产生的原理来说，直线脉冲电机大致可归纳为两大类型：一类是变磁阻式直线脉冲电机；另一类是混合式直线脉冲电机，与前一种相比较，它是利用永久磁铁供磁和电流励磁巧妙结合的最佳方案来产生电磁推力的。 第一节 变磁阻式LPM 变磁阻式直线脉冲电机可以做成不同的相数。图21是一台四相变磁阻式直线脉冲电机的结构原理图。它主要由定子、可动子和相应的结构件所组成。定子为呈短形齿的齿条，由磁性材料叠合而成，固定在相应的机架上。可动子是由一组呈E字形的叠片铁心所组成，在E字形动子的铁心柱上有线圈。为了保证可动子和定子之间的极隙（气隙）和相对运行，在可动子和定子之间装有液柱轴承和极隙调整器。动

43、子和极隙调整器为刚性连接。 定子和可动子的齿形和齿槽尺寸是一致的，齿形一般为矩形齿。但是，在动子E字形铁心的四个柱上各齿中心线必须互相错开14齿距。这就与旋转式步进电动机不同，大多数旋转式步进电动机均利用极距角与齿距角之间的特定关系来保证步进运动，而直线脉冲电机只能靠人为地移动四个柱的相互距离来实现。 我们知道，根据能量最小原理，磁力线总是具有沿着磁阻最小的路径闭合并力图缩短磁通路径以减小磁阻的本性，而变磁阻式直线脉冲电机正是利用这一原理，通过让各相绕组按特定规律通电从而使定转子位置规律性变化而动作的。由于磁极1、2、3和4的齿与二次侧的齿相对顺次错开14齿距，当只有A相绕组通电时，A相铁心柱

44、中的磁通最大，所受磁力最大，由磁力线的张力特性，二次侧的齿将和极1下的齿对齐，同样当B相通电时，二次侧的齿将和极2下的齿对齐，从而可动子前进14的齿距。于是四相绕组若按ABCDA的顺序来轮流通电励磁时，可动子就将以14齿的步距作直线步进运动。图2-1 四相变磁阻式直线脉冲电机的结构原理图 第二节 混合式LPM 混合式直线脉冲电机有两种结构：一为压电型，另一为混合磁路型。混合磁路型为索耶所发明，所以也称索耶直线脉冲电机。 （1）压电直线脉冲电机 压电直线脉冲电机主要是利用压电陶瓷的磁致伸缩原理制成微步距运动的高精度脉冲电机。图22是这种电动机最简单的结构形。压电陶瓷管的两端固接在二个电磁铁上，电

45、磁铁则配放在精密V形导轨上，两端的电磁铁即是磁压板，又起支撑的作用。当施加电压时，压电陶瓷管会伸缩，只要对施加电压加以适当控制，可任意改变运行体（压电管和电磁铁）的步距、速度和运动方向。其动作原理是，开始时电动机两端是压紧的，若要向前移动，则去掉后面电磁铁的激磁，于是压电管后端不再压紧。当压电管内外壁加上电，由于电效应使压电管缩短（缩短的长度由所加电压决定），这时后端电磁铁也向前移动一距离；然后是后端电磁铁激磁，前端电磁铁去磁，压电管去掉所施加的电压，又恢复到原来的长度，则前端电磁铁向前移动一步，最后仍通电激磁完成一步运动。重复上述过程，则电动机就一步一步向前移动。反之，向后移动程序也相仿。图

46、2-2 压电陶瓷直线脉冲电机（2）索耶（混合磁路型）直线脉冲电机 这种电动机的结构如图23所示，电动机由上下两部分组成，上面的可动部分称为动子，下面的固定部分称为定子。定子部分是用铁磁材料做成的平板条，长度可按需要确定。在平板条的上平面铣有槽以形成齿形，在槽里浇注环氧树脂后与平面一起磨平。齿槽可以等宽，也可不等宽。动子是一个电磁组件，由一个马蹄形永久磁钢PM和二个型电磁铁EMA和EMB组成，在EMA和EMB上均绕有激磁线圈。动子与定子相对的表面上也有槽，槽中也浇注环氧树脂并磨平，在动子表面上还开有若干小孔，这些小孔与外界的压缩空气皮管相通。当从外界打入压缩空气时，借助空气压力以克服由于永久磁钢和定子的吸力，同时将动子悬浮在定子表面。因此，控制空气压力就可以调节动子和定子之间的气隙保持极小。图2-3 索耶直线脉冲电机结构示意图索耶直线脉冲电机是利用具有一定规律变化的电磁铁与永久磁钢的复合作用来形成步进运动的。这与二相变磁阻式再加上一块永久磁钢的电动机作用原理一样。电动机由正负脉冲控制，具体运行过程由图24表示。电磁铁EMA和EMB各有两个小极，分别相对于定子齿错开半个齿形。当绕阻中无激磁电流时，磁钢产生的磁通均等地通过4个极，与定子齿形成闭合磁路。 图2-4 索耶直线脉冲电机运行原理图 当线圈A中通以正向电流时，则该电流产生磁通A，此时极1下的磁通1m2A，设Am2，则