步进电动机课件

步进电动机

6.0概述

步进电动机又称脉冲电动机，它是由脉冲信号控制的一种特种电动机。对应于每一个电脉冲，电机将产生一个恒定量的步进运动，即产生一个恒定量的角位移或直线位移。电动机运动的步数由脉冲数决定，运动方向由脉冲相序控制。而在一定时间内转过的角度θ或移动的距离s由脉冲频率决定，如图6.0.1所示。步进电动机在应用时往往构成一个系统来进行工作。这个系统包括：脉冲信号发生器、脉冲信号分配器、放大器及步进电动机本体和负载。由步进电动机构成的控制系统可以是开环的控制系统，如图6.0.2所示。

图6.0.1步进电动机的控制特性

图6.0.2步进电动机系统原理图

6.1反应式步进电动机的工作原理

6.1.1单三拍通电方式

反应式步进电动机如图6.1.1所示。它的定、转子铁心都是由冲有齿槽的电工钢片叠装而成，定子铁心槽内放有控制绕组，电机定子有三相绕组(m=3)，而转子上既无绕组也无永久磁极，完全依靠凸极转子正交两个方向磁阻不同而产生电磁转矩。转子上凸极又称转子齿，转子齿数用Zr表示。为了提高步进电动机的步距精度，有时在定子大齿上还冲有小齿，如图6.1.1（b）所示。无论哪种结构，根据工作要求，定子齿距和转子齿距必须相等。图6.1.2所示为三相四极反应式步进电动机

下一页图6.1.1反应式步进电动机结构图

图6.1.2三相反应式步进电动机工作原理图

6.1.2三相六拍通电方式

是上述的三相步进电动机，如此时的通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A，即一个通电循环中定子绕组6次改变通电方式，称为三相六拍制，对m相绕组称为2m拍制。分析此时步进电动机的工作可见，当A相单独通电时，转子齿1、3的轴线与定子A相齿轴线对齐，如图6.1.3（a）所示。当A、B相同时通电时，转子的位置应使定子A、B两磁极所形成的两路磁通，在气隙所遇到的磁阻达到同程度的最小。这样定子相邻两极A、B与转子齿相互作用的电磁力大小相等，方向相反，使转子处于平衡状态，如图6.1.3（b）所示。此时转子在空间逆时针转过一个步距角αp。当再换接成B相单独通电时，在电磁力的作用下，转子逆时针方向又转过一个步距角αp，使转子齿2、4的轴线与定子B齿轴线对齐，如图6.1.3（c）所示。若按BC→C→CA顺序继续通电，则步进电动机也将按逆时针方向继续转动。如改变通电程序为A→AC→C→CB→B→BA→A，则步进电动机的转向将变为顺时针方向。

6.1反应式步进电动机的工作原理下一页图6.1.3三相六拍制运行步进电动机工作原理图

6.1.3三相双三拍制通电方式

三相双三拍制运行时，通电方式为AB→BC→CA→AB，或AC→CB→BA→AC。此时，任何时刻都有两相定子绕组同时通电，通电一个循环为三拍（m相为m拍）。从上面分析可知，此时每改变一次通电顺序，转子转过的步距角和每转步数与单m拍制完全相同如果给步进电动机输入的为连续脉冲信号，各相绕组不断按顺序轮流通电，使步进电动机连续运转，所加的脉冲频率为f，则步进电动机转速为

n=60f/Np（r/min）（6.1.5）式中，n——步进电动机转速（r/min）；

f——电脉冲频率（Hz）。6.1反应式步进电动机的工作原理

6.2.1静态运行特性

当控制电脉冲不断送入步进电动机，各相绕组又按照一定顺序轮流通电时，步进电动机转子就一步步地转动。当控制脉冲停止，而仅给某相绕组通以恒定电流，这时转子将固定在某一位置上保持不动，此时称为静止状态。当转子处于静止状态时，即使有一个小的扰动，使转子偏离此稳定位置，磁场力也能把转子拉回来。步进电动机能可靠地锁定在静止位置的功能，称为“自锁”。所以步进电机可以通过绕组通直流电实现停车时转子定位。转子在静止状态时所受的电磁力矩称为静态转矩，静态转矩与转子转角θe的关系称为静态矩角特性。对于多相步进电动机可以一相单独通电，也可以多相同时通电，不同通电方式下步进电动机静态矩角特性也不同，下面分别进行讨论。下一页6.2反应式步进电动机的基本特性

一、单相通电时的矩角特性单相通电时，只有通电相极下的定子、转子齿产生转矩。由于定、转子结构的对称性，对定子极下定子、转子小齿的相对位置和所产生的转矩都是相同的，故可用一对定子、转子小齿相对位置的变化引起的转矩变化来进行讨论。电动机总的电磁转矩等于通电极下所有的定子、转子小齿产生的转矩之总和。图6.2.2

步进电动机的静态矩角特性,设顺时针方向转动时θe和Me为正，逆时针方向为负。则当θe在±αr/2范围内变化时，对应的电磁转矩基波Me按正弦规律变化，如图6.2.2所示。该曲线称为步进电动机静态矩角特性，表达式为

Me=-Memaxsinθe（6.2.1）

6.2反应式步进电动机的基本特性下一页图6.2.2步进电动机的静态矩角特性

二、多相通电时的矩角特性一般来说多相通电时的矩角特性和最大静态转矩与单相通电时不同。按照叠加原理，多相通电时的矩角特性可由各相单独通电时的矩角特性叠加求得。以三相步进电动机为例，它可单相通电，也可两相同时通电。下面讨论两相同时通电时，如A，B相同时通电时的矩角特性。当A、B两相同时通电时，合成矩角特性为两者的叠加可见合成的矩角特性是一条幅值、周期与A相单独通电时相同，但时间上相移π/3电角度的正弦曲线，如图6.2.3（a）所示，除了用波形图表示多相通电时的矩角特性外，对正弦波还可用空间矢量图来表示，如图6.2.3（b）所示。

下一页6.2反应式步进电动机的基本特性图6.2.3三相步进电动机单相和两相同时通电时的矩角特性

6.2.2单步运行状态

一、

单步运行和静态步距角误差Δαp

仍以三相步进电动机为例，假设电动机轴上负载转矩为ML。当A相通电时静态工作点处于如图6.2.5所示的A相矩角特性上的a点，对应转子位置γa，此时电磁转矩与负载转矩相平衡。如果送入控制脉冲，使由原来的A相单独通电切换到B相单独通电，则在γa位置时，转子此时所受的电磁转矩MB，即对应γa位置时B相矩角特性的电磁转矩，MB大于负载转矩，转子将在此转矩作用下做步进运动，直到b点，此时MB=ML，达到新的平衡。转子从a点运动到b点，正好走了一个步距角Δαp。这样，当绕组不断换接时，步进电动机也不断做步进运动，步距角均为αp。但实际上由于各种原因，如结构不对称等，实际的步距角与理论上的步距角之间有偏差，这个偏差以角分或理论步距角的百分数来表示，称为静态步距角误差Δαp，它的值越小，步进电动机的精度越高，因此它是步进电动机的一项考核指标。6.2反应式步进电动机的基本特性下一页图6.2.5负载时步进电动机的单步运行

二、步进电动机的过载能力（启动转矩）Mqd

从图6.2.5可以看出，要保证电机的步进运动，负载阻转矩不能超过Mqd。qd为相邻两拍矩角特性交点处所对应的电磁转矩，又称启动转矩。这是步进电动机做单步运行时，所能带动的极限负载，即ML＜Mqd，才能做步进运动。三、单步运行时的振荡现象设步进电动机做理想空载运行，轴上阻转矩为零。当A相单独通电时，转子处于失调角γ=0的位置，当绕组换接使B相通电时，B相定子齿轴线与转子齿轴线错开步距角αp。因此B相矩角特性与A相矩角特性也移动αp角。B相通电后，转子在B相电磁转矩的作用下，由a点向新的平衡位置b点运动，正好一个步距角。从理论上讲，当转子齿移动到B相定子齿下，两轴线重合时，Me=0，转子停止运动，但由于转子的机械惯性作用，转速不为零，而是要继续向前运动。当

下一页6.2反应式步进电动机的基本特性

γ>αp时，电磁转矩MB为负值，因而使转子减速，γ越大MB越大，转子减速越快，直到转速为零。如果电机是理想空载，又没有阻尼作用，那么转子最终将运动到c点，对应γ=2αp，这时B相定子齿轴线与转子齿轴线反方向错开αp角。电机又在负的电磁转矩的作用下向反方向转动，又越过b点回到开始出发点a。这样绕组每换接一次，如果无阻尼作用，电机转子就围绕新的平衡位置来回做无阻尼振荡，如图6.2.7所示。下一页6.2反应式步进电动机的基本特性图6.2.7无阻尼时转子运动的自由振荡

6.2.3步进电动机的连续运行和矩频特性

在实际的控制系统中，步进电动机大多处于连续运行状态，而且还需经常启动、制动、正转、反转和调速。此时步进电动机处于动态运行。步进电动机动态运行时的整步转矩称为动态转矩。当输入脉冲频率逐渐增加，电动机转速逐渐升高时，步进电动机所带动的负载转矩将逐步下降，也就是说，电动机所产生的电磁转矩是随脉冲频率的升高而减小。动态转矩与输入脉冲频率之间的关系称为步进电动机的矩频特性，它是一条随输入脉冲频率增加转矩下降的曲线，如图6.2.8所示。

6.2反应式步进电动机的基本特性图6.2.8步进电动机的矩频特性

6.3直线步进电动机

直线步进电动机是一种将输入的电脉冲信号转换成相应直线位移的电磁执行元件。按其结构特点可分为反应式和永磁感应子式(又称混合式)两类。与直线异步电动机一样，直线步进电动机可看作是把旋转式步进电动机的定子、转子切开展平而成。亦即在工作原理上与步进电动机完全相同，只是在结构上有所差别，如图6.3.1所示。

图6.3.1三相反应式直线步进电动机

6.4步进电动机的驱动电源

步进电动机本体与其驱动电源构成了步进电动机实际应用系统。系统运行性能不仅与步进电动机本身有关，还与驱动电源密切相关。驱动电源一般由可变频的脉冲发生器、脉冲分配器和功率放大器三个主要部分组成。为了实现对步进电动机的正转、反转、调速、启动、制动等控制要求，还必须加入控制环节及其保护线路，从而构成一个开环或闭环的控制系统。下面分别予以介绍。一、可变频的脉冲信号发生器最简单的脉冲信号发生器是一个频率可调的半导体振荡电路，如多谐振荡器、弛张振荡器等。通过调节电路的参数来改变输出脉冲的频率，一般从几赫到几十千赫范围内连续可调。图6.4.1是一种用与非门构成的自激多谐振荡器。

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图6.4.1

与非门组成的多谐自激振荡器

6.4步进电动机的驱动电源

二、脉冲分配器由脉冲信号发生器所产生的脉冲信号要经过脉冲分配器（又称环形动的步进电动机相数相等。脉冲分配器一般是由门电路和双稳态触发器组成的电路，根据电机的相数，运行拍数和正、反转的要求来设计。

图6.4.4为利用两个JK触发器和与门组成的单向四相四拍环形分配器原理图。两个JK触发器接成一个计数器，然后用四个与门对计数器进行译码，提供了四个驱动信号。在上述基础上，增加一个从触发器F2到F1的负反馈，就可以得到一个单向三相单三拍环形分配器，如图6.4.6所示，三相六拍制运行时，因为两个JK触发器只能构成四种逻辑状态，所以必须增加一个JK触发器，环形分配器原理如图6.4.9所示，

下一页图6.4.4单向四相单四拍环形分配器原理图

图6.4.6单向三相单三拍环形分配器原理图

图6.4.9单向三相六拍环形分配器原理图

三、功率放大器环形分配器输出的电流只有几毫安，不能直接驱动步进电机，必须经功率放大后，才能供给步进电动机相绕组。功率放大器虽然种类很多，但大多是在基本的单电压型和双电压型基础上发展起来的，因此以单电压型、双电压型为例介绍其基本原理。1单电压型单电压型一相供电时原理如图6.4.13（a）所示。图中L、R为电机一相绕组的电感和电阻，功率晶体管起开关作用。当VT被触发而饱和导通时，主电路电流按时间常数τ=L/R指数规律上升，如图6.4.13（b）所示。

下一页6.4步进电动机的驱动电源图6.4.13单电压型一相绕组电路原理图

2双电压型

双电压型采用高、低压双电源电路，是对上述电路的改进。此时一相电路的原理如图6.4.14（a）所示。一般高压电源电压为低压的数倍上。绕组受高压源的作用，相电流以较快的速率上升，但高压源工作时间t1很短，到VT1截止后，则低压源继续供电到t0，一相电流波形如图6.4.14（b）所示。3斩波恒流型双电压供电时，相绕组电流在高、低切换时有一凹形，使输出转矩下降。为使相绕组中电流维持在额定值附近，可采用斩波恒流放大。图6.4.15为自激式斩波恒流电路，在相绕组主回路中串入电阻Rc作为采样电阻，将电流波形信号反馈送到整形电路。6.4步进电动机的驱动电源图6.4.14双电压型一相绕组电路原理图

图6.4.15自激式斩波恒流电路

6.5.1主要性能指标

一、最大静态转矩Memax

最大静态转矩是指步进电动机在规定的通电方式下矩角特性上转矩的最大值。绕组电流越大，最大静态转矩也越大。通常技术指标中所规定的最大静态转矩是指每相绕组通上额定电流时所得到的转矩值。一般来说，最大静态转矩较大的电动机，可以带动较大的负载转矩，负载转矩和最大静态转矩的比值常取0.3～0.5左右。二、步距角αp

每输入一个电脉冲信号，转子转过的角度就是步距角。步距角的大小会直接影响步进电动机启动和运行频率。外形尺寸相同的电机，步距角小的往往启动、运行频率比较高，但转速和输出功率不一定高。使用时可根据需要的脉冲当量（即每一脉冲，步进电机带负载所转过的转角或移动的直线位移）和可能选择的传动比来选择步进电动机的步距角。

下一页6.5步进电动机的主要性能指标及技术数据

三、静态步距角误差Δαp

静态步距角误差即实际的步距角与理论的步距角之间的差值。通常用与理论步距角的百分数或绝对值来衡量。静态步距角误差小，表示电机精度高，通常是在空载情况下测量的。四、启动频率fdp和启动矩频特性启动频率又称突跳频率，是指步进电动机能够不失步