第11章 步进电机-4

1、第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machinechapter11 Stepper motor 第11章 步进电机第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical MachineThe stepper motor is known by its important property to convert a train of input pulses (typically square wave pulses) into a precisely defined increment in the sh

2、aft position. Each pulse moves the shaft through a fixed angle. Stepper motors have toothed electromagnets arranged around a central gear-shaped piece of iron. The electromagnets are energized by an external control circuit, such. To make the motor shaft turn, first, one electromagnet is given power

3、, which magnetically attracts the gears teeth. When the gears teeth are aligned to the firstIntroduction第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machineelectromagnet, they are slightly offset from the next electromagnet. When the gears teeth are aligned to the first electromagnet, they are sligh

4、tly offset from the next electromagnet. This means that when the next electromagnet is turned on and the first is turned off, the gear rotates slightly to align with the next one. From there the process is repeated. Each of those rotations is called a step, with an integer number of steps making a f

5、ull rotation. In that way, the motor can be turned by a precise angle.第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine11.1 11.1 概概 述述 步进电动机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。步进电动机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步，如图冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一

6、步，如图11 - 111 - 1所示。所示。图图 11 - 1 11 - 1 步进电动机的功用步进电动机的功用第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine图图 11 - 2 11 - 2 步进电动机的控制特性步进电动机的控制特性 步进电动机的角位移量步进电动机的角位移量或线位移量或线位移量s与脉冲数与脉冲数k成正比，如图成正比，如图11 - 2(a)所示；它的转速所示；它的转速n，或线速度，或线速度v与脉冲频率与脉冲频率f成正比，如图成正比，如图11 - 2(b)所示。所示。第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Cont

7、rol Electrical Machine在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。因而可适用于开环系统中作执行元件，使控制系统大波动而变化。因而可适用于开环系统中作执行元件，使控制系统大为简化。步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速；为简化。步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速；能够快速启动、反转和制动。它不需要变换能直接将数字脉冲信号能够快速启动、反转和制动。它不需要变换能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用微型计算机控制。转换为角位移，很适合采用微型计算机控制。步进电动

8、机是数控机床中的关键元件。步进电动机的功率做得越来越步进电动机是数控机床中的关键元件。步进电动机的功率做得越来越大，已生产出所谓大，已生产出所谓“功率步进电动机功率步进电动机”。它可以不通过力矩放大装置，。它可以不通过力矩放大装置，直接由功率步进电动机来带动机床运动，从而提高了系统精度，简化直接由功率步进电动机来带动机床运动，从而提高了系统精度，简化了传动系统的结构。了传动系统的结构。第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine从数控机床加工过程来看，对步进电动机的基本要求：从数控机床加工过程来看，对步进电动机的基本要求： (1) 步

9、进电动机在电脉冲的控制下能迅速起动、正反转、停转步进电动机在电脉冲的控制下能迅速起动、正反转、停转及在很宽的范围内进行转速调节；及在很宽的范围内进行转速调节； (2) 为了提高精度，要求一个脉冲对应的位移量小，并要准确、为了提高精度，要求一个脉冲对应的位移量小，并要准确、均匀。这就要求步进电动机步距小、步距精度高，不得丢步或越步；均匀。这就要求步进电动机步距小、步距精度高，不得丢步或越步； (3) 动作快速。即不仅起动、停步、反转快，并能连续高速运动作快速。即不仅起动、停步、反转快，并能连续高速运转以提高劳动生产率；转以提高劳动生产率； (4) 输出转矩大，可直接带动负载输出转矩大，可直接带动

10、负载。第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine11.2 11.2 反应式步进电动机的工作原理和基本特点反应式步进电动机的工作原理和基本特点11.2.1 11.2.1 典型结构和工作原理典型结构和工作原理 按励磁方式分类，步进电动机可分为反应式按励磁方式分类，步进电动机可分为反应式(Variable Reluctance, VR)、永磁式、永磁式(Permanent Magnet, PM)和混合式和混合式(Hybrid, HB)。

11、其中反。其中反应式步进电动机用得比较普遍，结构也较简单，所以着重分析这类电机。应式步进电动机用得比较普遍，结构也较简单，所以着重分析这类电机。 反应式步进电动机的工作原理与反应式同步电动机一样，也是利用反应式步进电动机的工作原理与反应式同步电动机一样，也是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动的。为了便凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动的。为了便于说清问题，先以一个最简单的三相反应式步进电动机为例。于说清问题，先以一个最简单的三相反应式步进电动机为例。2sin)11(2sin20dqdeXXUmXUEmT 图图11 - 6是一台三相反应式步进电动机，定子有是

12、一台三相反应式步进电动机，定子有 6 个极，不带小齿，个极，不带小齿，每两个相对的极上绕有一相控制绕组，转子只有每两个相对的极上绕有一相控制绕组，转子只有 4 个齿，齿宽等于定个齿，齿宽等于定子的极靴宽。子的极靴宽。第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine1. 1. 三相单三拍运行三相单三拍运行三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： ABCA 共三拍共三拍(a) (b) (c)图图 11 - 6 11 - 6 三相单三拍运行三相单三拍运行(a) A(a) A相接通；相接通； (b) B(b) B相接通；相接通； (c) C(

13、c) C相接通相接通转向转向：1）若绕组的通电方式变为）若绕组的通电方式变为ACBA，则电机反向运转；，则电机反向运转； 2）改变绕组中电流方向，不会改变电机的转向。）改变绕组中电流方向，不会改变电机的转向。第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 。共六拍共六拍2. 2. 三相六拍运行三相六拍运行(a) (b) (c) 图图 11 - 7 11 - 7 三相六拍运行三相六拍运行 (a) A(a) A相通电；相通电； (b) A(b) A、 B B相通电；相通电；(

14、c) B(c) B相通电相通电第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine 总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为角为1515 。转向转向：1）若绕组的通电方式变为）若绕组的通电方式变为AAC C CBB B AA， 则电机反向运转；则电机反向运转； 2）改变绕组中电流方向，不会改变电机的转向。）改变绕组中电流方向，不会改变电机的转向。第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine3. 3. 三相

15、双三拍运行三相双三拍运行三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB，共三拍。，共三拍。工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30 ，即，即 = 30 。第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical MachineAnimation of a simplified stepper motor (unipolar)Frame 1: The top electro

16、magnet (1) is turned on, attracting the nearest teeth of the gear-shaped iron rotor. With the teeth aligned to electromagnet 1, they will be slightly offset from right electromagnet (2).Frame 2: The top electromagnet (1) is turned off, and the right electromagnet (2) is energized, pulling the teeth

17、into alignment with it. This results in a rotation of 3.6 in this example.Frame 3: The bottom electromagnet (3) is energized; another 3.6 rotation occurs.Frame 4: The left electromagnet (4) is energized, rotating again by 3.6. When the top electromagnet (1) is again enabled, the rotor will have rota

18、ted by one tooth position; since there are 25 teeth, it will take 100 steps to make a full rotation in this example.第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine图图11 5 四相反应式步进电动机的结构四相反应式步进电动机的结构4583602 . 75036025. 62 . 7458 . 12 . 725. 0 第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine图图1

19、18 A相通电时定、相通电时定、 转子齿的相对位置转子齿的相对位置如果运行方式改为四相八拍，如果运行方式改为四相八拍， 其通电方式为其通电方式为A - AB - B - BC - C - CD - D - DA - A 即单相通电和两相通电相间时，与上面三相步进电即单相通电和两相通电相间时，与上面三相步进电动机道理完全一样，当动机道理完全一样，当A相通电转到相通电转到A、B两相同时通电时，定、转两相同时通电时，定、转子齿的相对位置由图子齿的相对位置由图11 - 8所示的位置变为图所示的位置变为图11 - 9那样的位置那样的位置(只画只画出出A、 B两个极下的齿两个极下的齿)，转子按顺时针方向只

20、转过，转子按顺时针方向只转过1/8齿距角，即齿距角，即0.9， A极和极和B极下的齿轴线与转子齿轴线都还错开极下的齿轴线与转子齿轴线都还错开1/8齿距角。齿距角。 第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine图图11 9 A、B两相通电时定、转子齿的相对位置两相通电时定、转子齿的相对位置 第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine11.2.2 11.2.2 基本特点基本特点根据上述的工作原理可以归纳步进电动机基本特点如下：根据上述的工作原理可以归纳步进电动机基本特点如下：

21、(1) 步进电动机工作时，每相绕组由专门驱动电源通过步进电动机工作时，每相绕组由专门驱动电源通过“环形分配环形分配器器”按一定规律轮流通电。例如一个按三相双三拍运行的环形分配器按一定规律轮流通电。例如一个按三相双三拍运行的环形分配器输入是一路，输出有输入是一路，输出有A、B、C三路。若开始是三路。若开始是A、B这两路有电压，输这两路有电压，输入一个控制电脉冲后，就变成入一个控制电脉冲后，就变成B、 C这两路有电压，再输入一个电脉冲，这两路有电压，再输入一个电脉冲，则变成则变成C、A这两路有电压，再输入一个电脉冲，又变成这两路有电压，再输入一个电脉冲，又变成A、B这两路有这两路有电压了。电压了。

22、环形分配器输出的各路脉冲电压信号，经过各自的放大器放大后送环形分配器输出的各路脉冲电压信号，经过各自的放大器放大后送入步进电动机的各相绕组，使步进电动机一步步转动。图入步进电动机的各相绕组，使步进电动机一步步转动。图11 - 10表示表示三相步进电动机控制方框图，图三相步进电动机控制方框图，图11 - 11表示三相双三拍运行时控制电表示三相双三拍运行时控制电脉冲及各相控制电压随时间变化的波形图。脉冲及各相控制电压随时间变化的波形图。第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine图图11-10 11-10 控制方框图控制方框图第第1111

23、章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine每循环一次所包含的通电状每循环一次所包含的通电状态数称为态数称为“状态数状态数”或或“拍拍数数”。同一台电机可有多种。同一台电机可有多种分配方式。不管分配方式如分配方式。不管分配方式如何，每循环一次，控制电脉何，每循环一次，控制电脉冲冲Uk的个数总等于拍数的个数总等于拍数N，而加在每相绕组上的脉冲电而加在每相绕组上的脉冲电压压(或电流或电流)个数却等于个数却等于1，因，因而控制电脉冲频率而控制电脉冲频率f是每相脉是每相脉冲电压冲电压(或电流或电流)频率频率f相的相的N倍，倍， 即即图图11 - 11 1

24、1 - 11 三相双三拍运行三相双三拍运行时各相控制电压波形图时各相控制电压波形图 Nff相第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine(2) (2) 齿距角和步距角齿距角和步距角齿距角为齿距角为RtZ360每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角，用符号每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角，用符号b表示。表示。 NZNRtb360式中，式中， N为运行拍数，为运行拍数， N=km (k=1, 2；m为相数为相数)。 (

25、3) (3) 反应式步进电动机转速反应式步进电动机转速min)/(60rNZfnRmin)/(63603606060rfNZfNZfnbRR第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine(4) (4) 步进电机具有自锁能力。步进电机具有自锁能力。 当控制脉冲不断送入，各相绕组按照一定程序轮流通电时，步进当控制脉冲不断送入，各相绕组按照一定程序轮流通电时，步进电动机转子就一步步地转动。当控制脉冲停止时，如果某些相绕组仍电动机转子就一步步地转动。当控制脉冲停止时，如果某些相绕组仍通入恒定不变的电流通入恒定不变的电流( (可称为直通电流可称为

26、直通电流) )，那末转子将固定于某一位置，那末转子将固定于某一位置上保持不动，称为静止状态。静止状态时，即使有一个小的扰动，使上保持不动，称为静止状态。静止状态时，即使有一个小的扰动，使转子偏离此位置，磁拉力也能把转子拉回来。转子偏离此位置，磁拉力也能把转子拉回来。 对于多相步进电动机，对于多相步进电动机，定子控制绕组可以是一相通电，也可以是几相同时通电。定子控制绕组可以是一相通电，也可以是几相同时通电。 综上所述，由于步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动综上所述，由于步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响和负载变化的影响( (在允许负载范围内在允许负载范围内) )，

27、也不受环境条件，也不受环境条件( (温度、压力、温度、压力、冲击、振动等冲击、振动等) )变化的影响，只与控制脉冲同步，同时它又能按照控制变化的影响，只与控制脉冲同步，同时它又能按照控制的要求，实现启动、停止、反转或改变转速。因此，步进电动机被广的要求，实现启动、停止、反转或改变转速。因此，步进电动机被广泛地应用于各种数字控制系统。泛地应用于各种数字控制系统。第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine11.3 11.3 步进电动机的矩角特性和静态转矩步进电动机的矩角特性和静态转矩 11.3.1 11.3.1 单相通电时单相通电时 单

28、相通电时，通电相极下的齿产生转矩，这些齿与转子齿的相对位置及所单相通电时，通电相极下的齿产生转矩，这些齿与转子齿的相对位置及所产生的转矩都是相同的，产生的转矩都是相同的， 故可以用一对定、转子齿的相对位置来表示转子故可以用一对定、转子齿的相对位置来表示转子位置，位置， 电机总的转矩等于通电相极下各个定子齿所产生的转矩之和。电机总的转矩等于通电相极下各个定子齿所产生的转矩之和。图图11 - 12 定、转子齿的相对位置定、转子齿的相对位置(图中转子失调角图中转子失调角e)第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine图图11 - 13 11

29、 - 13 定、转子间的作用力定、转子间的作用力图图11-14 11-14 步进电动机的矩角特性步进电动机的矩角特性 第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine11.3.2 11.3.2 多相通电时多相通电时一般来说，多相通电时的矩角特性和最大静态转矩Tjmax与单相通电时不同。按照叠加原理，多相通电时的矩角特性近似地可以由每相各自通电时的矩角特性叠加起来求出。先以三相步进电机为例。三相步进电动机可以单相通电，也可以两相同时通电，下面推导三相步进电动机当两相通电时(如A、B两相)的矩角特性。如果转子失调角e是指A相定子齿轴线与转子齿

30、轴线之间的夹角，那末A相通电时的矩角特性是一条通过0点的正弦曲线(假定矩角特性可近似地看作正弦形)，可以用下式表示：ejATTsinmax第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine图图11 - 16 A11 - 16 A相和相和B B相定子齿相对转子齿的位置相定子齿相对转子齿的位置当当B相也通电时，由于相也通电时，由于e=0时的时的B相定子齿轴线与转子齿轴线相夹一个单拍制的相定子齿轴线与转子齿轴线相夹一个单拍制的步距角，这个步距角以电角度表示为步距角，这个步距角以电角度表示为be，其值为，其值为be=te/3=120电角度或电角度或

31、2/3电电弧度，如图弧度，如图11 - 16所示。其中，所示。其中，be为单拍制分配方式时的步距角为单拍制分配方式时的步距角(电角度或电弧电角度或电弧度度)，be=2/m。所以。所以B相通电时的矩角特性可表示为相通电时的矩角特性可表示为)120sin(maxejBTT第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine这是一条与这是一条与A相矩角特性相距相矩角特性相距120(即即te/3)的正弦曲线。当的正弦曲线。当A、 B两相两相同时通电时合成矩角特性应为两者相加，即同时通电时合成矩角特性应为两者相加，即)120sin(sinmaxmaxe

32、jejBAABTTTTT)60sin(maxejT图图11 - 17 11 - 17 三相步进电动机单相、三相步进电动机单相、 两相通电时的转矩两相通电时的转矩 (a) (a) 矩角特性；矩角特性； (b) (b) 转矩向量图转矩向量图第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine五相步进电机的单相、两相、三相通电时矩角特性的波形图和向量五相步进电机的单相、两相、三相通电时矩角特性的波形图和向量图，如图图，如图11 - 1811 - 18和图和图11 - 1911 - 19所示。所示。图图11 - 18 11 - 18 五相步进电动机单

33、相、五相步进电动机单相、 两相、两相、三相通电时的矩角特性三相通电时的矩角特性图图11 19 11 19 五相步进电动机转矩向量图五相步进电动机转矩向量图第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine下面给出下面给出m相电机，相电机，n相同时通电矩角特性的一般表达式相同时通电矩角特性的一般表达式：ejTTsinmax1)sin(max2beejTT) 1(sinmaxbeejnnTT所以n相同时通电时转矩 beebebejbeebeeejnnnnTnTTTTT21sin2sin2sin) 1(sin)sin(sinmaxmax211第第

34、1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical Machine式中， be为单拍制分配方式时的步距角(电角度或电弧度)。因为be=2/m，所以mnmmnTTejn1sinsinsinmax1因而m相电机n相同时通电时转矩最大值与单相通电时转矩最大值之比mmnTTjnjsinsinmax)1max(五相五相电动机两相两相通电时转矩最大值为maxmax)max(62. 15sin52sinjjABjTTT五相五相电动机三相三相通电时转矩最大值为maxmax)max(62. 15sin53sinjjABCjTTT第第1111章章 步进电机步进电机控制电机控制电机（Control Electrical