第五章步进电机

第五章步进电机第一页，共二十二页，编辑于2023年，星期四第一节概述特点:

(1)来一个脉冲，转一个步距角。

(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。

(3)改变脉冲顺序，可改变转动方向。

步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。

区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。种类：励磁式和反应式两种。第二页，共二十二页，编辑于2023年，星期四下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。三相反应式步进电动机的原理结构图如下：ABCIAIBIC

定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。转子有四个齿。定子转子第二节结构和工作原理第三页，共二十二页，编辑于2023年，星期四1.三相单三拍CA'BB'C'A3412

A相绕组通电，B、C相不通电。由于在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A′极对齐。动画第四页，共二十二页，编辑于2023年，星期四CA'BB'C'A3412

同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4齿和B、B´

磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。1C'342CA'BB'A第五页，共二十二页，编辑于2023年，星期四

这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。

按ABCA……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)转过90°(一个齿距角)。2.三相六拍按AABBBCC

CA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。第六页，共二十二页，编辑于2023年，星期四CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通电，转子1、3齿与A、A'对齐。

A、B相同时通电，A、A'磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。第七页，共二十二页，编辑于2023年，星期四CA'BB'C'A3412

B相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15。3412CA'BB'C'AB、C相同时通电，C'、C

磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子再转过15。第八页，共二十二页，编辑于2023年，星期四三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AABBBCC

CA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90(齿距角)。与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。3.三相双三拍按ABBCCA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。第九页，共二十二页，编辑于2023年，星期四AB通电CA'BB'C'A3412BC通电3412CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A3412与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30(步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。第十页，共二十二页，编辑于2023年，星期四

从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：—步距角Zr

—转子齿数m—每个通电循环周期的拍数实用步进电机的步距角多为3和1.5

。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，如教材图10.4.4所示。图中转子表面有40个齿，第十一页，共二十二页，编辑于2023年，星期四齿距角是9；定子仍是6个磁极，但每个磁极表面加工有五个和转子一样的齿。

步进电动机的应用非常广泛，如各种数控机床、自动绘图仪、机器人等。应用：第十二页，共二十二页，编辑于2023年，星期四一、运行特性及影响因素基本特点工作时的步数或转速（角度控制或速度控制）只与控制脉冲同步，而与电压、负载、温度、冲击（环境条件）等因素无关。按控制要求进行启动、停止、反转或改变速度。应用广泛（在数字控制系统中）。第三节运行特性第十三页，共二十二页，编辑于2023年，星期四2.矩角特性——反映步进电动机电磁转距T随偏转角变化的关系。初始平衡位置——定子一相绕组通电，转子无负载转矩，转子齿与通电相磁极上小齿对齐。转子偏转角（空间角）——转子齿偏离初始平衡位置的角度（转子有负载作用，电磁转矩与负载转矩平衡）。电角度——空间角度的Z倍，即。矩角特性曲线。第十四页，共二十二页，编辑于2023年，星期四

近似一条正弦曲线。

时，T达到最大静转矩（定、转子齿错开1/4齿距）。

反映了步进电动机带负载的能力（负载转矩＝（0.3～0.5）

）。“稳定运行”第十五页，共二十二页，编辑于2023年，星期四3.脉冲信号频率对运行的影响(a)频率很低（接近矩形波）；(b)频率增高（波形畸变）；(c)频率很高（I下降到I/）。

故过高使步进电动机①启动不起来；②运行时失步而停下。第十六页，共二十二页，编辑于2023年，星期四4.转子机械惯性对运行的影响受机械惯性作用，在启动阶段，转子落后于应转过的角度，一般会跟上来，严重（）时会启动不起来。在运转时，因惯性作用，经过几次振荡后才停下来，严重时会引起失步。措施：采用阻尼方法，消除或减弱步进电机的振荡。第十七页，共二十二页，编辑于2023年，星期四二、主要性能指标和注意事项主要性能指标1)步距角——步进电动机的主要性能指标之一，它直接影响启动和运行频率。式中：——传动比；——负载轴要求的最小位移增量（或称脉冲当量）。2)最大静转矩

式中：——步进电动机启动转矩；——最大静负载转矩。通常取。第十八页，共二十二页，编辑于2023年，星期四3)空载启动频率——步进电动机在空载情况下，不失步启动所允许的最高频率。在负载情况下，不失步启动所允许的最高频率随负载的增加而显著下降。4)连续运行频率——当步进电动机运行频率连续上升时，电动机不失步运行的最高频率。

矩频特性是指在连续运行状态下，步进电动机的电磁力矩随频率的升高而急剧下降的特性。注：与负载有关；在同样负载下，。第十九页，共二十二页，编辑于2023年，星期四5)精度——用一周内最大的步距角误差值表示。步距精度式中：——负载轴上所允许的角度误差。6)输入电压U、输入电流I和相数m三项指标与驱动电源有关。第二十页，共二十二页，编辑于2023年，星期四2.注意事项驱动电源的优劣对控制系统的运行影响极大。若负载转动惯量较大，则在低频