第四章步进电动机

1、第第4章章 步进电动机步进电动机 4.1 概述概述 4.2 反应式步进电动机的结构和工作原理反应式步进电动机的结构和工作原理 4.3 反应式步进电动机的静态特性反应式步进电动机的静态特性 4.4 反应式步进电动机的动态特性反应式步进电动机的动态特性 4.5 步进电动机的其它类型及主要性能指标步进电动机的其它类型及主要性能指标 4.6 步进电动机的驱动电源步进电动机的驱动电源4.1 概述概述 步进电动机将输入的脉冲电信号变换为阶跃的角位移或直线位移。步进电动机将输入的脉冲电信号变换为阶跃的角位移或直线位移。给一个脉冲信号，电动机前进一步，因此称为给一个脉冲信号，电动机前进一步，因此称为步进电动机

2、步进电动机。 （1）控制系统对步进电动机的基本要求）控制系统对步进电动机的基本要求 在电脉冲的控制下，步进电动机能迅速起动、正反转、制动和停车，在电脉冲的控制下，步进电动机能迅速起动、正反转、制动和停车， 调速范围宽广；调速范围宽广； 步进电动机的步距角要小，步距精度要高，不丢步不越步；步进电动机的步距角要小，步距精度要高，不丢步不越步； 工作频率高，响应速度快。工作频率高，响应速度快。（2）步进电动机的分类）步进电动机的分类 按其工作方式不同，可分为按其工作方式不同，可分为功率步进电动机功率步进电动机和和伺服步进电动机伺服步进电动机两类。两类。 按励磁方式的不同，步进电动机可分为按励磁方式的

3、不同，步进电动机可分为反应式反应式、永磁式永磁式和和感应子式感应子式 三类。三类。4.2 反应式步进电动机的结构和工作原理反应式步进电动机的结构和工作原理4.2.1结构结构4.2.2 工作原理工作原理4.2.3基本特点基本特点4.2.1结构结构定子铁心定子铁心 定子铁心为凸极结构，由硅钢片迭压而成。在面向气隙的定子铁心为凸极结构，由硅钢片迭压而成。在面向气隙的定子铁心表面有齿距相等的小齿。定子铁心表面有齿距相等的小齿。图图4-1 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定子绕组定子绕组 定子每极上套有一个集中绕定子每极上套有一个集中绕组，相对两极的绕组串联构成一相。步组，相对两极的

4、绕组串联构成一相。步进电动机可以做成二相、三相、四相、进电动机可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。五相、六相、八相等。转子转子 转子上只有齿槽没有绕组，系统转子上只有齿槽没有绕组，系统工作要求不同，转子齿数也不同。定转工作要求不同，转子齿数也不同。定转子齿形相同。子齿形相同。4.2 反应式步进电动机的结构和工作原理反应式步进电动机的结构和工作原理4.2.2 工作原理工作原理1. 工作原理工作原理 以四相反应式步进电动机为例。定子有八个极，相对两极的绕组串以四相反应式步进电动机为例。定子有八个极，相对两极的绕组串联成一相，构成四相；转子六个齿，齿宽等于定子极靴的宽度。联成一相，构成四相

5、；转子六个齿，齿宽等于定子极靴的宽度。 （a）A相通电（b）C相通电（c）B相通电（d）D相通电图4-2 四相单四拍运行A相绕组通电时，在相绕组通电时，在磁阻转矩作用下，转磁阻转矩作用下，转子齿子齿1和和4的轴线与的轴线与定子定子A极轴线对齐；极轴线对齐；断开断开A相接通相接通C相，转子齿相，转子齿3和和6的轴线与的轴线与C极轴线对齐，转子逆时针方向极轴线对齐，转子逆时针方向转过转过15；断开；断开C相接通相接通B相，转子又转过相，转子又转过15；断开；断开B相接通相接通D相，相，转子再转过转子再转过15；。经过。经过A C B D一个通电循环转子转过一个通电循环转子转过60，为，为一一个个齿

6、距角齿距角。 四相单四拍四相单四拍每次只接通一相绕组的四相供电方式称为四相单四拍。每次只接通一相绕组的四相供电方式称为四相单四拍。 四相双四拍四相双四拍（图）每次同时接通两相绕组，如每次同时接通两相绕组，如ACCBBDDA，也是四拍一，也是四拍一个循环，则称为四相双四拍。个循环，则称为四相双四拍。双拍运行与单拍运行时步距角相同，产生的转矩一般会增加。双拍运行与单拍运行时步距角相同，产生的转矩一般会增加。 四相八拍四相八拍AACCCBBBDDDA。步距角变为原来的二分之一。步距角变为原来的二分之一。2. 运行方式运行方式 拍和步距角拍和步距角电机通电方式变换一次，称为一拍。每一拍转子所转过的角度

7、，称为电机通电方式变换一次，称为一拍。每一拍转子所转过的角度，称为步距角步距角 。s如何使步进电动机反转？如何使步进电动机反转？4.2.2 工作原理工作原理（图）（图）如图转子上共有如图转子上共有50个齿，齿距角个齿，齿距角定子极距为定子极距为 个齿。个齿。3. 实用反应式步进电动机实用反应式步进电动机如何减小步距角？增加转子齿数，同时在定子极面上开槽，定、转子如何减小步距角？增加转子齿数，同时在定子极面上开槽，定、转子的齿形的齿形要要相同。相同。图图4-1 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2 . 750360360ttZ25. 6)42/(50转子齿数应满足转子齿数应满足

8、2212mkZmkmZtt4.2.2 工作原理工作原理 四相单四拍运行四相单四拍运行通电方式为通电方式为ACBD。A相绕组通电，转子齿轴线和定子磁极相绕组通电，转子齿轴线和定子磁极A上的齿轴线对齐；上的齿轴线对齐；断开断开A相接通相接通C相，在磁阻转矩作用下，转子顺时针方向转过四分之一相，在磁阻转矩作用下，转子顺时针方向转过四分之一齿距角（齿距角（1.8），使转子齿轴线和定子磁极），使转子齿轴线和定子磁极C下的齿轴线对齐；下的齿轴线对齐； 。图图4-4 A相通电时定、转子齿的相对相通电时定、转子齿的相对位置位置 每换接一次绕组，转子就转过每换接一次绕组，转子就转过14齿距角。四步完成一个循环，

9、转齿距角。四步完成一个循环，转子转过子转过7.2 4.2.2 工作原理工作原理 四相八拍运行四相八拍运行 通电方式为通电方式为AACCCBBBDDDA。 A相绕组通电，转子齿轴线和定子磁极相绕组通电，转子齿轴线和定子磁极A上的齿轴线对齐；上的齿轴线对齐；图4-5 A、C两相通电时定、转子齿的相对位置A、C两相同时通电时，转两相同时通电时，转子顺时针方向只转过子顺时针方向只转过1/8齿距角（齿距角（0.9）；）；。每换接一次绕组，转子就每换接一次绕组，转子就转过转过18齿距角。齿距角。 四相八拍运行时的步距角是四相四拍时的一半。四相八拍运行时的步距角是四相四拍时的一半。 四相双四拍运行四相双四拍

10、运行通电方式为通电方式为ACCBBDDA。步距角与四相单四拍运行时一。步距角与四相单四拍运行时一样为样为1/4齿距角，即齿距角，即1.8。 4.2.2 工作原理工作原理4.2.3基本特点基本特点1每相脉冲频率每相脉冲频率 f 步进电机的系统框图步进电机的系统框图 脉冲电源脉冲电源环形分配器环形分配器放大器放大器步进电动机步进电动机 图4-6 脉冲控制方框图 “环形分配器环形分配器”按给定规律分配输入脉冲。对于三相步进电动机，按给定规律分配输入脉冲。对于三相步进电动机， 环形分配器是一路输入，三路输出。环形分配器是一路输入，三路输出。 三相单三拍运行时，第一个电脉冲分给三相单三拍运行时，第一个电

11、脉冲分给A相；第二个电脉冲分给相；第二个电脉冲分给B 相；第三个电脉冲分给相；第三个电脉冲分给C相，完成一个循环。相，完成一个循环。每相脉冲频率每相脉冲频率 每循环一次，控制电脉冲的个数总等于拍数每循环一次，控制电脉冲的个数总等于拍数N，而加在每相绕组上的脉冲电压的个数却等于而加在每相绕组上的脉冲电压的个数却等于1。若控制电脉冲频。若控制电脉冲频率为率为 ，每相脉冲频率用，每相脉冲频率用 表示，则表示，则 三相双三拍运行时各相驱动信号波形图。三相双三拍运行时各相驱动信号波形图。图图4-7 三相单三拍驱动信号波形图三相单三拍驱动信号波形图每个循环包含的通电状态数每个循环包含的通电状态数称为称为“

12、拍数拍数”。拍数拍数可等于可等于相数或相数的相数或相数的二倍二倍。ffNff/f4.2.3基本特点基本特点正向旋转正向旋转 反向旋转反向旋转三相单三拍三相单三拍 A B C三相双三拍三相双三拍 AB BC CA三相六拍三相六拍 A AB B BC C CA在一个齿距内磁场变化一个周期，用电角度表示时，一个齿距就对应在一个齿距内磁场变化一个周期，用电角度表示时，一个齿距就对应360电角度（或电角度（或 电弧度电弧度)。用电角度（或电弧度）表示的齿距角。用电角度（或电弧度）表示的齿距角为为 。N为运行拍数，为运行拍数， ，m为电机相数。为电机相数。 2步距角步距角s每输入一个脉冲电信号转子转过的角

13、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 表示。表示。srts360NZN步距角为步距角为（机械角度）（机械角度） 2 mmN或步距角与拍数步距角与拍数N及转子齿数及转子齿数Zt有关。减小步距角，可提高控制精度。有关。减小步距角，可提高控制精度。360te2用电角度表示时，步距角为用电角度表示时，步距角为NN360teseNN2tese（电角度）（电角度） （电弧度）（电弧度） 或或 rsrrse360ZZZN4.2.3基本特点基本特点与转子齿数无关。与转子齿数无关。3转速转速n)/(1rNZ输入一个脉冲，转子转过整个圆周角的输入一个脉冲，转子转过整个圆周角的

14、，即转过，即转过 转。转。 所以转速为所以转速为)/(1rNZNZfnr60 f 为控制脉冲的频率，即每秒输入的脉冲数。为控制脉冲的频率，即每秒输入的脉冲数。反应式步进电动机的转速取决于反应式步进电动机的转速取决于脉冲频率脉冲频率、转子齿数和拍数转子齿数和拍数，与电源电压、，与电源电压、负载、温度等因素无关。改变脉冲频率可以改变转速，故可进行无级调速。负载、温度等因素无关。改变脉冲频率可以改变转速，故可进行无级调速。步进电动机的转速还可用步距角表示步进电动机的转速还可用步距角表示srr63603606060fNZfNZfn改变通电顺序，可以控制电机转向改变通电顺序，可以控制电机转向。4.2.3

15、基本特点基本特点60f每分钟的脉冲数每分钟的脉冲数ZrN转子转一转所需步数转子转一转所需步数4. 步进电动机具有自锁能力步进电动机具有自锁能力当控制电脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继当控制电脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通入直流电时，则电机转子可以保持在固定的位置上，续通入直流电时，则电机转子可以保持在固定的位置上，即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上。这样，即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上。这样，步进电动机可以实现停转时转子定位。步进电动机可以实现停转时转子定位。4.2.3基本特点基本特点4.3 反应式步进电动机的静态特性反应式步进电动机的静态特性4.

16、3.1 4.3.1 静态转矩静态转矩T T4.3.2 4.3.2 矩角特性矩角特性4.3.3 4.3.3 静稳定区静稳定区规定定子、转子齿轴线重合的规定定子、转子齿轴线重合的位置为静态空载情况下的初始位置为静态空载情况下的初始稳定平衡位置，而转子偏离初稳定平衡位置，而转子偏离初始稳定平衡位置的始稳定平衡位置的电角度电角度称为称为失调角失调角 。4.3 反应式步进电动机的静态特性反应式步进电动机的静态特性 静止状态静止状态 步进电动机一相或几相通入恒定不变的直流电流，这时转子将固定步进电动机一相或几相通入恒定不变的直流电流，这时转子将固定于某一位置上保持不动，称为静止状态。于某一位置上保持不动，

17、称为静止状态。 失调角失调角 ee图图4-9 初始平衡位置与失调角初始平衡位置与失调角在静止状态下，电磁转矩与失调角之间的函数关系在静止状态下，电磁转矩与失调角之间的函数关系 ，称为，称为步进电动机的矩角特性。步进电动机的矩角特性。 静态特性静态特性 )(efT 单相通电时，通电相极下所有齿都产生转矩，由于同一相极下所有定子单相通电时，通电相极下所有齿都产生转矩，由于同一相极下所有定子齿和转子齿相对应的位置都相同，因而电机总转矩为通电相极下各定子齿和转子齿相对应的位置都相同，因而电机总转矩为通电相极下各定子齿所产生转矩之和。齿所产生转矩之和。4.3.1 静态转矩静态转矩TA相通电时，有相通电时

18、，有在在dt时间内输入的电能为时间内输入的电能为tiLirUd)(daaaaadd)d(ddaa2aaaaa2aaaitriiLitritiU4.3 反应式步进电动机的静态特性反应式步进电动机的静态特性dd)d(ddaa2aaaaa2aaaitriiLitritiU式中第一部分式中第一部分 为电阻损耗；第二部分为电阻损耗；第二部分 为磁场储能的增为磁场储能的增量，是电机对外做功的能源。量，是电机对外做功的能源。trida2amaddWimddWTddmWT ddT电磁转矩电磁转矩T驱使转子转过偏转角驱使转子转过偏转角 时，步进电动机对外输出的机械时，步进电动机对外输出的机械能能 ，从能量平衡关

19、系，从能量平衡关系 即静态转矩为即静态转矩为在线性系统中在线性系统中2m21LIW若控制绕组中的电流若控制绕组中的电流I为常数，每相控制绕组是两个极上绕组串接而成，为常数，每相控制绕组是两个极上绕组串接而成，且每极绕组的匝数为且每极绕组的匝数为N，则，则 22NL d)()21(dd22mNILIWer2er2mdddd)(ddZFZNIWT4.3.1 静态转矩静态转矩er2er2mdddd)(ddZFZNIWTNIF rZeddlZs 为每极控制绕组的磁动势；为每极控制绕组的磁动势； 为转子齿数；为转子齿数； 为气隙磁导为气隙磁导对失调角的变化率。对失调角的变化率。 气隙磁导气隙磁导 可表示

20、为可表示为 为气隙比磁导；为气隙比磁导； 为定子每极下的小齿数；为定子每极下的小齿数； 为铁心长度。为铁心长度。 lsZ 图图4-10 气隙比磁导定义图气隙比磁导定义图4.3.1 静态转矩静态转矩气隙比磁导的大小和齿的形状、齿宽与齿距之比、气隙与齿距之比及气隙比磁导的大小和齿的形状、齿宽与齿距之比、气隙与齿距之比及齿部的饱和度有关，且是失调角的周期性函数，其周期为齿距齿部的饱和度有关，且是失调角的周期性函数，其周期为齿距 。用傅氏级数表示为用傅氏级数表示为 te1en0)cos(nne10cos忽略高次谐波影响影响时，气隙比磁导为忽略高次谐波影响影响时，气隙比磁导为由此可得由此可得e1rs2s

21、inlZZFT静态转矩静态转矩T是失调角是失调角 的正弦函数，它的作用总是使转子位置趋向于的正弦函数，它的作用总是使转子位置趋向于失调角为零；在结构一定且磁路不饱和的条件下静态转矩的大小与失调角为零；在结构一定且磁路不饱和的条件下静态转矩的大小与I2成正比。成正比。 e4.3.1 静态转矩静态转矩 为为最大静转矩最大静转矩。最大静转矩直接影响步进电动最大静转矩直接影响步进电动机的负载的能力和性能，是重机的负载的能力和性能，是重要的性能指标之一。要的性能指标之一。4.3.2 矩角特性矩角特性矩角特性是控制绕组通电状态不变时，电磁转矩与转子偏转角的关矩角特性是控制绕组通电状态不变时，电磁转矩与转子

22、偏转角的关系，即静态转矩与失调角的关系系，即静态转矩与失调角的关系 。 )(efT 1. 单相控制的矩角特性单相控制的矩角特性esme1rs2sinsinTlZZFT1rs2smlZZFT图图4-11 单相控制的矩角特性单相控制的矩角特性2. 多相通电时的矩角特性多相通电时的矩角特性一般来说，多相通电时的矩角特性以及最大静态转矩与单相通电一般来说，多相通电时的矩角特性以及最大静态转矩与单相通电时不同。多相通电时的矩角特性时不同。多相通电时的矩角特性可可近似地由每相各自通电时的矩近似地由每相各自通电时的矩角特性叠加起来求出。角特性叠加起来求出。三相步进电动机当两相通电时（如三相步进电动机当两相通

23、电时（如A、B两相）的矩角特性两相）的矩角特性esmAsinTT图图4-12 A相、相、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)120sin(esmBTT设设A通电时，距角特性为通电时，距角特性为则则B通电时，距角特性为通电时，距角特性为4.3.2 矩角特性矩角特性当当A、B两相同时通电时合成矩角特性应为两相同时通电时合成矩角特性应为 )60sin()120sin(sinesmesmesmBAABTTTTTT （a） 矩角特性矩角特性 （b）转矩矢量图）转矩矢量图 图图4-13 三相步进电动机单相、两相通电时的转矩三相步进电动机单相、两相通电时的转矩它是一条幅值不变、相移它是一条幅

24、值不变、相移60的正弦曲线。的正弦曲线。4.3.2 矩角特性矩角特性五相步进电机的单相、二相、三相通电时矩角特性五相步进电机的单相、二相、三相通电时矩角特性 图图4-l4 五相步进电动机单相、二相、三五相步进电动机单相、二相、三相通电时的矩角特性相通电时的矩角特性 图图4-15 五相步进电动机转矩矢量图五相步进电动机转矩矢量图 二相和三相通电时矩角特性相对二相和三相通电时矩角特性相对A相矩角特性分别移动了相矩角特性分别移动了36和和72，静态转矩最大值两者相等。因此，五相步进电动机可采用二相三相运静态转矩最大值两者相等。因此，五相步进电动机可采用二相三相运行方式行方式 。 4.3.2 矩角特性

25、矩角特性 m相电机，相电机，n相同时通电时的矩角特性相同时通电时的矩角特性 ) 1(sin )(sinsinseesmnseesm2esm1nTTTTTTn相同时通电时 2) 1(sin 2) 1(sin)2/sin()2/sin( ) 1(sin)sin(sin see)n1(smseesesesmseeseeesmn21n1nTnnTnTTTTTse 为单拍制运行方式时的步距角；)2/sin()2/sin()2/sin()2/sin(sesesmsesesmn)sm(1nnnTnTT4.3.2 矩角特性矩角特性例如五相步进电动机两相通电时转矩最大值为例如五相步进电动机两相通电时转矩最大值为

26、三相通电时转矩最大值为三相通电时转矩最大值为应当注意，最大静态转矩应当注意，最大静态转矩 与控与控制绕组中电流的平方成正比，其前制绕组中电流的平方成正比，其前提条件是磁路不饱和，实际上当电提条件是磁路不饱和，实际上当电流达到一定数值后，磁路开始饱和，流达到一定数值后，磁路开始饱和，正比关系被破坏，随正比关系被破坏，随I增大，增大， 增增大得越来越慢。大得越来越慢。图图4-l6 最大静态转矩与控制电流的关系最大静态转矩与控制电流的关系smsmsmsm(AB)62. 1)5/sin()5/2sin()2/sin()2/sin(TTnTTsesesmsmsm(ABC)62. 1)5/sin()5/3

27、sin(TTTsmTsmT4.3.2 矩角特性矩角特性522sem不稳定平衡点不稳定平衡点 在 ，虽然也有 ，但 或 后，静态转矩与 的方向一致，驱使转子背离稳定平衡点，故 的位置称为不稳定平衡点。 稳定平衡点稳定平衡点 当 时， ，该位置称为稳定平衡点。 静稳定区静稳定区 在 区间内， 与 方向相反， 总是阻止 变化，若由于外力矩使转子偏离稳定平衡点，只要在上述范围内，一旦去掉外力，转子就能在静态转矩的作用下返回到稳定平衡点。区间 称为静稳定区。 0e0TeTeeTee0Teeee4.3.3 静稳定区静稳定区4.4 反应式步进电动机的动态特性反应式步进电动机的动态特性4.4.1 步进运行状态

28、时的动态特性步进运行状态时的动态特性4.4.2 连续运行状态时的动态特性连续运行状态时的动态特性4.4.3 步进电动机的起动特性步进电动机的起动特性4.4 反应式步进电动机的动态特性反应式步进电动机的动态特性动态特性动态特性是指脉冲电压按一定的分配方式加到各控制绕组是指脉冲电压按一定的分配方式加到各控制绕组上，步进电动机所具有的特性。脉冲频率不同，步进电动上，步进电动机所具有的特性。脉冲频率不同，步进电动机的运行性能也不同。机的运行性能也不同。分为三个区段分析：分为三个区段分析： 脉冲频率极低的步进运行脉冲频率极低的步进运行 高频率脉冲的连续运行高频率脉冲的连续运行 介于上述两段脉冲频率之间的

29、运行介于上述两段脉冲频率之间的运行4.4.1 步进运行状态时的动态特性步进运行状态时的动态特性1. 动稳定区和稳定裕度动稳定区和稳定裕度2. 最大负载能力（起动转矩）最大负载能力（起动转矩）3. 转子的自由振荡过程转子的自由振荡过程当步进电动机处于矩角特性曲线当步进电动机处于矩角特性曲线“n”所对应的所对应的稳定状态时，输入一个脉冲，使其控制绕组改稳定状态时，输入一个脉冲，使其控制绕组改变通电状态，矩角特性向前跃移一个步距角变通电状态，矩角特性向前跃移一个步距角 ，稳定平衡点也由稳定平衡点也由0变为变为 ，相对应的静稳定区，相对应的静稳定区为为 。在改变通电状态时，。在改变通电状态时，只有当转

30、子起始位置在此区间，才能使它向只有当转子起始位置在此区间，才能使它向 点运动，达到该稳定平衡位置。因此把区域点运动，达到该稳定平衡位置。因此把区域 称称 为动稳定区。为动稳定区。 1. 动稳定区和稳定裕度动稳定区和稳定裕度动稳定区动稳定区 是指步进电动机从一种通电状态切换到另一种通电状态，是指步进电动机从一种通电状态切换到另一种通电状态，不至引起失步的区域。不至引起失步的区域。 4.4.1 步进运行状态时的动态特性步进运行状态时的动态特性se1O)()(seese)()(seese1O控制电脉冲的间隔时间大于步进电动机过渡过程所需的时间，称为步控制电脉冲的间隔时间大于步进电动机过渡过程所需的时

31、间，称为步进运行状态。进运行状态。稳定裕度稳定裕度 把矩角特性曲线把矩角特性曲线“n”的稳定平衡点的稳定平衡点0离开曲线离开曲线(n+1)的不的不稳定平衡点的距离稳定平衡点的距离 ，称为，称为“稳定裕度稳定裕度”。 稳定裕度为稳定裕度为 为单拍制运行时的步距角。为单拍制运行时的步距角。)(se)2(2sermmmse可见，反应式步进电动机的相数必须大于可见，反应式步进电动机的相数必须大于2。4.4.1 步进运行状态时的动态特性步进运行状态时的动态特性2. 最大负载能力（起动转矩）最大负载能力（起动转矩）步进电动机在步进运行时所能带动的最大负载，可由相邻两条矩角特性步进电动机在步进运行时所能带动

32、的最大负载，可由相邻两条矩角特性交点所对应的电磁转矩交点所对应的电磁转矩 来确定。来确定。stT图图4-18 最大负载能力的确定最大负载能力的确定情况情况1：负载转矩负载转矩 时，时，A相相通电时，转子处于通电时，转子处于a点；改由点；改由B相相通电时，转子稳定后位于通电时，转子稳定后位于b点，前点，前进一步。进一步。stLTT 情况情况2：负载转矩负载转矩 时，时，A相相通电时，转子处于通电时，转子处于a”点；改由点；改由B相通电时，转子不能前进。相通电时，转子不能前进。stLTT 若矩角特性为幅值相同的正弦波，则若矩角特性为幅值相同的正弦波，则NTTcos2cos2sinsesesmst只

33、有拍数只有拍数N 2时，起动转矩时，起动转矩 大于大于零。零。 stT4.4.1 步进运行状态时的动态特性步进运行状态时的动态特性自由振荡过程自由振荡过程 绕组由绕组由A相通电到相通电到B相通电后，转子在电磁转矩作用相通电后，转子在电磁转矩作用下，转子位置由下，转子位置由 O(a) b c a b c3. 转子的自由振荡过程转子的自由振荡过程步进电动机在步进运行状态，转子是经过一个振荡过程后才稳定在平步进电动机在步进运行状态，转子是经过一个振荡过程后才稳定在平衡位置的。衡位置的。 （a） 示意图示意图 （b） 振荡曲线振荡曲线 图图4-1 9 无阻尼时转子的自由振荡无阻尼时转子的自由振荡A相通

34、电，转子处于相通电，转子处于失调角失调角 的位置，的位置，对应于原点对应于原点O；换接；换接到到B相通电，稳定后相通电，稳定后转子在转子在 的的b点。点。0esee4.4.1 步进运行状态时的动态特性步进运行状态时的动态特性自由振荡角频率自由振荡角频率 与振荡的幅值有关。当拍数很多、步距角很小时，与振荡的幅值有关。当拍数很多、步距角很小时，振荡的振幅就很小振荡的振幅就很小, 这时振荡的角频率称为固有振荡角频率，用这时振荡的角频率称为固有振荡角频率，用 表表示，理论上可以证明固有振荡角频率为示，理论上可以证明固有振荡角频率为 图图4-20 与振荡的幅值的关系与振荡的幅值的关系自由振荡的幅值、频率

35、和周期自由振荡的幅值、频率和周期 自由振荡的幅值为步距角自由振荡的幅值为步距角 。若振荡若振荡角频率用角频率用 表示，相应的振荡频率和周期为表示，相应的振荡频率和周期为se0200 f00021fT00JZT/rsm0随着拍数减少，步距角增大，自随着拍数减少，步距角增大，自由振荡的振幅也增大，自由振荡由振荡的振幅也增大，自由振荡频率就降低。频率就降低。 比值与振荡的比值与振荡的幅值（即步距角）的关系如图幅值（即步距角）的关系如图4-20所示。所示。 00/00/4.4.1 步进运行状态时的动态特性步进运行状态时的动态特性衰减振荡衰减振荡 由于轴上的摩擦，风阻及内部电阻尼等存在，单步运动由于轴上

36、的摩擦，风阻及内部电阻尼等存在，单步运动时转子环绕平衡位置的振荡过程总是衰减的。阻尼作用越大，衰减时转子环绕平衡位置的振荡过程总是衰减的。阻尼作用越大，衰减得越快，最后仍稳定于平衡位置附近。得越快，最后仍稳定于平衡位置附近。必须指出，单步运行时所产生必须指出，单步运行时所产生的振荡现象对步进电动机的运的振荡现象对步进电动机的运行是很不利的，它影响了系统行是很不利的，它影响了系统的精度，带来了振动及噪音。的精度，带来了振动及噪音。严重时甚至使转子丢步。为了严重时甚至使转子丢步。为了使转子振荡衰减得快，在步进使转子振荡衰减得快，在步进电动机中往往专门设置了特殊电动机中往往专门设置了特殊的阻尼器。的

37、阻尼器。图图4-21 阻尼时转子的衰减振荡阻尼时转子的衰减振荡4.4.1 步进运行状态时的动态特性步进运行状态时的动态特性4.4.2 连续运行状态时的动态特性连续运行状态时的动态特性1. 动态转矩动态转矩2. 运行矩频特性运行矩频特性3. 最高连续运行频率最高连续运行频率4. 低频共振和低频丢步现象低频共振和低频丢步现象5. 高频振荡高频振荡 在分析静态矩角特性时得最大静转矩在分析静态矩角特性时得最大静转矩 ，在分析，在分析步进运行时又得到最大负载能力步进运行时又得到最大负载能力 。 4.4.2 连续运行状态时的动态特性连续运行状态时的动态特性当步进电动机在输入脉冲频率当步进电动机在输入脉冲频

38、率f较高，其周期比转子振荡过渡过程时间较高，其周期比转子振荡过渡过程时间还短时，转子作连续的旋转运动，这种运行状态称作连续运行状态。还短时，转子作连续的旋转运动，这种运行状态称作连续运行状态。1. 动态转矩动态转矩步进电动机在连续运行状态所产生的电磁转矩称为动态转矩。步进电动机在连续运行状态所产生的电磁转矩称为动态转矩。21rs2smIlZZNIT）（2smsmstcosITNTT 当控制脉冲频率达到一定数值之后，频率再升高，由于定子绕组电当控制脉冲频率达到一定数值之后，频率再升高，由于定子绕组电感的影响，绕组电流的波形由低频时的近似矩形波变为高频时的近感的影响，绕组电流的波形由低频时的近似矩

39、形波变为高频时的近似三角波，其幅值和平均值都较小，使动态转矩大大下降，负载能似三角波，其幅值和平均值都较小，使动态转矩大大下降，负载能力降低。力降低。不同控制频率时的电流波形不同控制频率时的电流波形此外，控制脉冲频率升高时，铁心中涡流增加，使动态转矩下降。此外，控制脉冲频率升高时，铁心中涡流增加，使动态转矩下降。2. 运行矩频特性运行矩频特性当控制脉冲频率达到一定数值之后，再增加频率，由于电感和涡流作当控制脉冲频率达到一定数值之后，再增加频率，由于电感和涡流作用使动态转矩减小。可见，动态转矩是电源脉冲频率的函数，把这种用使动态转矩减小。可见，动态转矩是电源脉冲频率的函数，把这种函数关系称为步进

40、电动机运行时的转矩函数关系称为步进电动机运行时的转矩-频率特性，简称为频率特性，简称为运行矩频特运行矩频特性。性。矩频特性表明，在一定控制脉冲频率范围矩频特性表明，在一定控制脉冲频率范围内，随频率升高，电机的功率和转速都相内，随频率升高，电机的功率和转速都相应地提高，超出该范围则随频率升高转矩应地提高，超出该范围则随频率升高转矩下降，步进电动机带负载的能力也逐渐下下降，步进电动机带负载的能力也逐渐下降，达到某一频率以后，就带不动任何负降，达到某一频率以后，就带不动任何负载，而且只要受到一个很小的扰动，就会载，而且只要受到一个很小的扰动，就会振荡、失步以至停转。振荡、失步以至停转。 图图4-22

41、 运行矩频特性运行矩频特性 4.4.2 连续运行状态时的动态特性连续运行状态时的动态特性 。例如，步进电动机。例如，步进电动机70BF03，其空载运行频率，其空载运行频率， Hz额定负载运行频率为额定负载运行频率为 Hz。最高连续运行频率是步进电动机。最高连续运行频率是步进电动机的重要技术指标。的重要技术指标。最高连续运行频率与负载的大小有关，一般分最高连续运行频率与负载的大小有关，一般分空载运行频率空载运行频率 和额定负和额定负载运行频率载运行频率 。3. 最高连续运行频率最高连续运行频率当控制电源的脉冲频率连续提高时，在一定性质和大小的负载下，步当控制电源的脉冲频率连续提高时，在一定性质和

42、大小的负载下，步进电动机能正常连续运行时（不丢步、不失步）所能加到的最高频率进电动机能正常连续运行时（不丢步、不失步）所能加到的最高频率称为称为最高连续运行频率最高连续运行频率或最高跟踪频率。或最高跟踪频率。 ru0fruNfruNru0ff16000ru0f4000ruNf4.4.2 连续运行状态时的动态特性连续运行状态时的动态特性4. 低频共振和低频丢步现象低频共振和低频丢步现象低频丢步现象低频丢步现象 是指步进电动机在低频运行时，转子运动步数少于是指步进电动机在低频运行时，转子运动步数少于给定脉冲数的现象。给定脉冲数的现象。 是否丢步与下一脉冲到来时转子的位置有关。不同脉冲频率时转是否丢

43、步与下一脉冲到来时转子的位置有关。不同脉冲频率时转子的位置如图子的位置如图4-23所示。所示。图图4-23 不同脉冲周期的转子位置不同脉冲周期的转子位置4.4.2 连续运行状态时的动态特性连续运行状态时的动态特性低频丢步的物理过程低频丢步的物理过程 以三相步进电动机为例。以三相步进电动机为例。 正常情况正常情况 A a0B b0C c0丢步情况丢步情况A a0经经BCA三个脉三个脉冲后转子仍在冲后转子仍在a0点，丢点，丢3步。步。图图4-24 步进电动机的低频丢步步进电动机的低频丢步如果阻尼作用比较强，如果阻尼作用比较强，那么电机振荡衰减得那么电机振荡衰减得比较快，转子振荡回比较快，转子振荡回

44、摆的幅值就比较小，摆的幅值就比较小，转子对应于转子对应于R点的位点的位置如果处在动稳定区置如果处在动稳定区之内，电磁转矩就是之内，电磁转矩就是正的，电机就不会丢正的，电机就不会丢步。步。另外拍数越多，步距角另外拍数越多，步距角越小，动稳定区接近静稳定区，这样也可以消除越小，动稳定区接近静稳定区，这样也可以消除低频失步。低频失步。se4.4.2 连续运行状态时的动态特性连续运行状态时的动态特性低频共振现象低频共振现象 当控制脉冲频率等于转子振荡频率的当控制脉冲频率等于转子振荡频率的1K倍时，如倍时，如果阻尼作用不强，即使电机不发生低频失步，也会产生强烈振动，果阻尼作用不强，即使电机不发生低频失步

45、，也会产生强烈振动，这就是步进电机低频共振现象。这就是步进电机低频共振现象。图图4-25表示表示K=2时转子的转子运动时转子的转子运动规律，可见具有明显的振荡特性。规律，可见具有明显的振荡特性。共振时，电机就会出现强烈振动，共振时，电机就会出现强烈振动，甚至失步而无法工作，所以一般不甚至失步而无法工作，所以一般不容许电机在共振频率下运行。容许电机在共振频率下运行。如果采用较多拍数，再加上一定的如果采用较多拍数，再加上一定的阻尼和干摩擦负载，电机振动的振阻尼和干摩擦负载，电机振动的振幅可以减小，并能稳定运行。幅可以减小，并能稳定运行。图图4-25 低频共振时的转子运动规律低频共振时的转子运动规律

46、4.4.2 连续运行状态时的动态特性连续运行状态时的动态特性5. 高频振荡高频振荡高频振荡高频振荡是指脉冲电压的频率达到相当高时，电机出现明显的振荡现是指脉冲电压的频率达到相当高时，电机出现明显的振荡现象。如果脉冲频率快速越过这一频段达到更高值时，电动机仍能继续象。如果脉冲频率快速越过这一频段达到更高值时，电动机仍能继续稳定运行。稳定运行。高频振荡的原因高频振荡的原因是由于步进电动机定、转子上有齿槽存在，转子旋转是由于步进电动机定、转子上有齿槽存在，转子旋转过程中在控制绕组中感应一个交变电动势和交流电流，产生一个对转过程中在控制绕组中感应一个交变电动势和交流电流，产生一个对转子运动起制动作用的

47、电磁转矩。该转矩将随着转速的上升而下降，即子运动起制动作用的电磁转矩。该转矩将随着转速的上升而下降，即具有负阻尼性质，因而使转子的运动有产生自发振荡的性质。在严重具有负阻尼性质，因而使转子的运动有产生自发振荡的性质。在严重的情况下，电动机要失步甚至停转。的情况下，电动机要失步甚至停转。步进电动机铁心表面的附加损耗和转子对空气的摩擦损耗等形成阻尼步进电动机铁心表面的附加损耗和转子对空气的摩擦损耗等形成阻尼转矩，它随着转速的升高而增大，若与电磁阻尼转矩配合恰当，则电转矩，它随着转速的升高而增大，若与电磁阻尼转矩配合恰当，则电机总的内阻尼转矩特性可能不出现负阻尼区，高频振荡现象也就不会机总的内阻尼转

48、矩特性可能不出现负阻尼区，高频振荡现象也就不会出现。出现。4.4.2 连续运行状态时的动态特性连续运行状态时的动态特性4.4.3 步进电动机的起动特性步进电动机的起动特性1. 起动矩频特性起动矩频特性2. 起动惯频特性起动惯频特性3. 起动频率起动频率步进电动机的起动性能用起动矩频特性、起动惯频特性和起动频率来步进电动机的起动性能用起动矩频特性、起动惯频特性和起动频率来描述。描述。1. 起动矩频特性起动矩频特性起动矩频特性起动矩频特性 在给定驱动电源的条件下，负载转动惯量一定时，起动在给定驱动电源的条件下，负载转动惯量一定时，起动频率频率 与负载转矩与负载转矩 的函数关系的函数关系 ，称作起动

49、矩频特性。，称作起动矩频特性。stfLT)(LstTff 图图4-26 起动矩频特性起动矩频特性转动惯量一定转动惯量一定时，随着负载时，随着负载的增加，其起的增加，其起动频率是下降动频率是下降的。的。4.4.3 步进电动机的起动特性步进电动机的起动特性2. 起动惯频特性起动惯频特性起动惯频特性起动惯频特性 在给定驱动电源的条件下，负载转矩不变时，起动频在给定驱动电源的条件下，负载转矩不变时，起动频率率 与负载转动惯量与负载转动惯量 的函数关系的函数关系 ，称作起动惯频特性。，称作起动惯频特性。负载转矩不变时，随着转动惯量的增加，起动频率也是下降的。负载转矩不变时，随着转动惯量的增加，起动频率也

50、是下降的。stfJ)(stJff图图4-27 起动惯频特性起动惯频特性4.4.3 步进电动机的起动特性步进电动机的起动特性3. 起动频率起动频率电机正常起动时（不丢步、不失步）所能加的最高控制频率称为电机正常起动时（不丢步、不失步）所能加的最高控制频率称为起动起动频率或突跳频率。频率或突跳频率。起动频率与负载大小有关，因而指标分空载起动频率起动频率与负载大小有关，因而指标分空载起动频率 和负载起动频和负载起动频率率 。 比比 低得多。例如，低得多。例如，70BF03步进电动机，步进电动机， Hz，在，在0.1176 N.m的负载下起动频率的负载下起动频率 Hz。 增大电动机的动态转矩；增大电动

51、机的动态转矩；提高起动频率的措施提高起动频率的措施 减小转动部分的转动惯量；减小转动部分的转动惯量； 增加拍数，减小步距角。增加拍数，减小步距角。st0fstLfstLf2000st0f1000stLfst0f4.4.3 步进电动机的起动特性步进电动机的起动特性复习复习矩角特性：一相通电时的矩角特性；多相通电时的矩角特性。矩角特性：一相通电时的矩角特性；多相通电时的矩角特性。负载能力负载能力静稳定区；动稳定区；稳定裕度。静稳定区；动稳定区；稳定裕度。动态转矩动态转矩运行矩频特性运行矩频特性最高连续运行频率最高连续运行频率低频振荡丢步现象低频振荡丢步现象起动矩频特性起动矩频特性起动惯频特性起动惯

52、频特性起动频率起动频率4.5 步进电动机的其它类型及主要性能指标步进电动机的其它类型及主要性能指标4.5.1 步进电动机的其它类型步进电动机的其它类型4.5.2 步进电动机的主要性能指标步进电动机的主要性能指标4.5.1 步进电动机的其它类型步进电动机的其它类型1. 多段反应式步进电动机多段反应式步进电动机2. 永磁式步进电动机永磁式步进电动机3. 感应子式永磁步进电动机感应子式永磁步进电动机4. 直线和平面式步进电动机直线和平面式步进电动机1. 多段反应式步进电动机多段反应式步进电动机结构结构 轴向磁路多段式步进电动轴向磁路多段式步进电动机的结构如图机的结构如图4-28所示。定、所示。定、转

53、子铁心均沿电机轴向按相数转子铁心均沿电机轴向按相数分段，每一组定子铁心放置一分段，每一组定子铁心放置一相环形的控制绕组。定、转子相环形的控制绕组。定、转子圆周上冲有形状和数量相同的圆周上冲有形状和数量相同的小齿。定子铁心（或转子铁心）小齿。定子铁心（或转子铁心）相邻两段错开相邻两段错开1/m齿距。齿距。特点特点 定子空间利用率较好，环形控制绕组绕制较方便；转子的惯定子空间利用率较好，环形控制绕组绕制较方便；转子的惯量较低；步距角也可以做得较小，起动和运行频率较高。但是在量较低；步距角也可以做得较小，起动和运行频率较高。但是在制造时，铁心分段和错位工艺较复杂，精度不易保证。制造时，铁心分段和错位

54、工艺较复杂，精度不易保证。 图图4-28 多段式轴向磁路反应式步进电动机多段式轴向磁路反应式步进电动机 1-线圈；线圈；2-定子；定子；3-转子；转子；4-引线引线4.5.1 步进电动机的其它类型步进电动机的其它类型4.5.1 步进电动机的其它类型步进电动机的其它类型结构结构 永磁式步进电动机定子上有两永磁式步进电动机定子上有两相或多相绕组，转子为一对或几对极相或多相绕组，转子为一对或几对极的星形磁钢，转子的极数与定子每相的星形磁钢，转子的极数与定子每相的极数相同。的极数相同。2. 永磁式步进电动机永磁式步进电动机图图4-29 永磁式步进电动永磁式步进电动机机工作原理工作原理 当定子绕组按当定

55、子绕组按AB(-A)(-B) 轮流通直流脉冲时，轮流通直流脉冲时，转子依次转过转子依次转过45，一个循环转过，一个循环转过180，步距角为，步距角为45。特点特点 控制功率小；在断电情况下有定位转矩；有强的内阻尼力矩。控制功率小；在断电情况下有定位转矩；有强的内阻尼力矩。步距角大；起动频率较低；要求电源供给正负脉冲，使电源的变得步距角大；起动频率较低；要求电源供给正负脉冲，使电源的变得复杂。复杂。结构结构 两相感应子式永磁步进电动机的定子结构与单段反应式步进两相感应子式永磁步进电动机的定子结构与单段反应式步进电动机相同，电动机相同，1、3、5、7极上的控制绕组串联为极上的控制绕组串联为A相，相

56、，2、4、6、8极上的控制绕组串联为极上的控制绕组串联为B相。转子是由环形磁铁和两端铁心组成。相。转子是由环形磁铁和两端铁心组成。两端转子铁心上沿外圆周开有小齿，两端铁心上的小齿彼此错过两端转子铁心上沿外圆周开有小齿，两端铁心上的小齿彼此错过1/2齿距。定、转子齿数的配合与单段反应式步进电动机相同。齿距。定、转子齿数的配合与单段反应式步进电动机相同。3. 感应子式永磁步进电动机感应子式永磁步进电动机图图4-30 感应子式永磁步进电动机感应子式永磁步进电动机4.5.1 步进电动机的其它类型步进电动机的其它类型工作原理工作原理 （图图4-30） 转子磁钢充磁后，转子磁钢充磁后，A端为端为N极，极，

57、B端为端为S极；极； A相通电时，定子相通电时，定子1、3、5、7极上的极性为极上的极性为N、S、N、S。定子磁。定子磁极极1和和5上的齿在上的齿在A端则与转子槽对齐，磁极端则与转子槽对齐，磁极3和和7上的齿与上的齿与A端上的端上的转子齿对齐；转子齿对齐； B相通电时，由于相通电时，由于B相四个极（相四个极（2、4、6、8极）上的齿与转子齿都极）上的齿与转子齿都错开错开1/4齿距，转子前进齿距，转子前进1/4齿距；齿距； 由于定子同一个极的两端极性相同，转子两端极性相反，但错开半由于定子同一个极的两端极性相同，转子两端极性相反，但错开半个齿距，所以当转子偏离平衡位置时，两端作用转矩的方向是一致

58、个齿距，所以当转子偏离平衡位置时，两端作用转矩的方向是一致的。的。4.5.1 步进电动机的其它类型步进电动机的其它类型或或 （电角度）（电角度）rs2360mZmZ180rsse当定子各相绕组按顺序通以直流脉冲时，其步距角为当定子各相绕组按顺序通以直流脉冲时，其步距角为（机械角）（机械角）特点特点 步距角小；起动和运行频率高；效率高；具有定位转矩。兼有反步距角小；起动和运行频率高；效率高；具有定位转矩。兼有反应式和永磁式步进电动机两者的优点。应式和永磁式步进电动机两者的优点。 但是它需要有正、负电脉冲供电，并且在制造时比较复杂。但是它需要有正、负电脉冲供电，并且在制造时比较复杂。4.5.1 步

59、进电动机的其它类型步进电动机的其它类型 图图4-31 直线步进电动机直线步进电动机1-永久磁铁；永久磁铁；2- 形极片；形极片；3-控制绕组控制绕组4. 直线和平面式步进电动机直线和平面式步进电动机在控制脉冲作用下，直线步进电在控制脉冲作用下，直线步进电动机做直线运动，平面步进电动动机做直线运动，平面步进电动机做平面运动。机做平面运动。直线步进电动机直线步进电动机动子：形极片；永久磁铁；动子：形极片；永久磁铁； 控制绕组。控制绕组。定子：软磁材料开槽，齿距为定子：软磁材料开槽，齿距为t。位置关系：位置关系：a和和c间为间为1.5t a和和a间为间为kt a和和d间为（间为（k+1/4）t 4.

60、5.1 步进电动机的其它类型步进电动机的其它类型A相正向通电相正向通电 中磁通加强，中磁通加强， 中磁通削弱中磁通削弱 转子位置如图转子位置如图a）；）；B相正向通电相正向通电 中磁通加强，中磁通加强， 中磁通削弱中磁通削弱 转子位置如图转子位置如图b）；）；A相反向通电相反向通电 中磁通加强，中磁通加强， 中磁通削弱中磁通削弱 转子位置如图转子位置如图c）；）；B相反向通电相反向通电 中磁通加强，中磁通加强， 中磁通削弱中磁通削弱 转子位置如图转子位置如图d）；）； 图图4-31 直线步进电动机直线步进电动机1-永久磁铁；永久磁铁；2- 形极片；形极片；3-控制绕组控制绕组aa和aa和cc、