步进电机介绍

1、步进电机介绍 步进电机介绍 4.1 简介简介 步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲 信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机。 主要优点：主要优点：步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响， 仅与脉冲频率有关。它每转一周都有固定的步数，在不丢步 的情况下运行，其步距误差不会长期积累，从而使它适合于 在数字控制的开环系统中作为驱动电动机，也可用作闭环系 统的驱动元件。 主要缺点：主要缺点：效率较低，需配适当的驱动电源，带惯性负载 的能力不强。 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 种类：种类： 励 磁 方 式 磁阻

2、式(反应式) 永磁式 混合式 运 行 方 式 旋转型 直线型 平面型 系统构成：系统构成： 步进 电机 脉冲分配器脉冲放大器 脉冲信 号输入 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 4.2 反应式步进电动机的结构与工作原理反应式步进电动机的结构与工作原理 一、反应式步进电动机的结构一、反应式步进电动机的结构 单段式 多段式 a)径向磁路 b)轴向磁路 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 径向磁路 1线圈；2定子；3转子 轴向磁路 1线圈；2定子；3磁轭 4

3、转子；5引出线 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 二、工作原理二、工作原理 三相反应式步进电动机有三种运行方式： 三相单三拍运行； 三相双三拍运行； 三相单、双六拍运行 “三相” 指步进电机的相数； “单” 指每次只给一相绕组通电；“双”则是每次 同时给二相绕组通电； “三拍”指通电三次完成一个循环 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 1 2 3 4 A A B B C C A相导通 1 2 3 4 A A B B C C B相导通 1. 三相单三拍

4、运行方式三相单三拍运行方式 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 1 2 3 4 A A B B C C C相导通 A A B B C C 1 2 3 4 A相导通 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 按A-B-C-A的顺序通电，电机转子在磁阻转矩作用下沿 ABC方向转动，电机的转速直接取决于控制绕组的换接频率。 定子控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍，此时电 机转子所转过的空间角度称为步距角。 360 90 t r Z 90 33 t s 齿距角：

5、步距角： 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 2. 三相双三拍运行方式三相双三拍运行方式 按AB-BC-CA-AB或相反的顺序通电，每次同时给两 相绕组通电，且三次换接为一个循环。步距角与三相单三 拍运行方式的步距角相同。 AB相导通BC相导通 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 3. 三相单、双六拍运行方式三相单、双六拍运行方式 按A-AB-B-BC-C-CA或相反顺序通电，即需要六拍才完成一 个循环，因此步距角为： 15 6 90 6 t s 1

6、2 3 4 A A B B C C A相导通 1 2 3 4 A A B B C C B相导通AB相导通 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 对于其它相数的步进电动机，同样可以有多种运行方 式，例如四相步进电动机有：四相单四拍，四相双四拍， 四相单双八拍等运行方式。 一般而言，无论几相电机以及采用何种运行方式，步 距角与转子齿数Zr和拍数N之间有如下关系： NZr s 360 (机械角度) 此处，m为控制绕组相数，C为状态系数，单三、双三拍时， C=1；单双六拍时C=2。 如果连续不断地输入脉冲，则电机转子就连续旋转， 其

7、转速与脉冲频率有关。每输入一个脉冲，转子转过： mCN 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 NZr 1 步进电机介绍 每秒钟输入f 脉冲，则转过 f/ZrN 转，故电机转速为： NZ f n r 60 rpm 4. 小步距角磁阻式步进电机小步距角磁阻式步进电机 转子上有均匀分布的40个齿. 9 40 360 t 3 1340 360360 NZr s 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 小步距角步进电动机中的转子齿数，必须满足一定的要 求，才能保证电机产生步进运动。

8、 当A相极面下的定、转子齿对齐时，B和C极面下的齿就分别 和转子齿相错三分之一的转子齿，即3度。 pmpK m KmpZr22 1 2 转子齿数应符合： 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 4.3 反应式步进电动机运行特性反应式步进电动机运行特性 一、静态特性一、静态特性 静态运行是指通电状态不变，电机处于稳定状 态时的特性。 静特性 静转矩 矩角特性 静态稳定区 需要清楚的几个名称： (1)初始稳定平衡位置初始稳定平衡位置：指步进电动机在空载情况下，控制 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家

9、级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 绕组中通以直流电流时，转子的最后稳定位置; (2)失调角失调角 ：指步进电动机转子偏离初始平衡位置的电角度。 在反应式步进电动机中，转子一个齿距所对应的度数为2p电 弧度或360o电角度； (3)矩角特性矩角特性：在不改变通电状态(即控制绕组电流不变)时， 步进电动机的静转矩与转子失调角的关系，即Tf() =0, T=0; 0, T0 ; 0; =p, T=0 定子 转子 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 2 2 1 LIWm m dW T d 2 W LW I ()()cos

10、2 1 2 1 qdqd 当只有一相绕组通电时，储存在电机气 隙中的磁场能量为 磁导变化曲线 ()()()() 22 2 11 sin 224 mr dqr dWZdLd TIWIWIZ ddd r Z 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 步进电动机的矩角特性 () maxmax sinsin r TZT ()() 4 2 max qdr WIZ T 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 (4)静态稳态区静态稳态区：在空载时，稳定平衡位 置对应于=0处，

11、而=180度则为不 稳定平衡位置。在静态情况下，如受 外力矩的作用使转子偏离稳定平衡位 置，但没有超出相邻的不稳定平衡点， 则当外力矩除去以后，电动机转子在 静态转矩作用下仍能回到原来的稳定 平衡点，所以二个不稳定平衡点之间 的区域构成静态稳定区。 (5)最大静转矩最大静转矩：Tmax=f(I) 最大静转矩特性 4 )()( 2 max qdr WIZ KT 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 六拍时的矩角特性族 三拍时的矩角特性族 3 2p se OAOBOC ABAC T (6) 矩角特性族矩角特性族 4.步进电机步进

12、电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 二、动态特性二、动态特性 1. 单脉冲运行单脉冲运行当加上一个控制脉冲信 号，矩角特性将转移到 矩角特性族中的下一条 矩角特性曲线，转子将 转到新的稳定平衡位置 o1。在改变通电状态时， 只有当转子起始位置位 于ab之间才能使它向o1 点运动。因此称区间ab 为电动机空载时的动态 稳定区。 o0p-p T o1 se r ab 动态稳定区 静态稳定区 C 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 动态稳定区：(-p+se)(p+se) a

13、点与o0点之间的夹角r称为稳定裕度(或裕量角)。裕量角越 大，电动机运行越稳定。 2 (2) rser r ZmC mZ CmC pp pp 由上式可见，C=1时，反应式步进电动机的相数最少为3。 电动机的相数越多，步距角越小，相应的稳定裕度越大， 运行的稳定性也越好。 最大负载转矩最大负载转矩(又称起动转矩又称起动转矩)： 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 o0p-p T o1 Tst o0 TL2 o1 o0p-p T o1 Tst o0 TL1 o1 TL1Tst 新矩角特性上对应点的转矩小于 负载转矩，转子不能到

14、达新的稳 定平衡点o”1，而是向减小的方 向运动，因此不能作步进运动。 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 由此可知，步进电动机能带的最大负载转矩要比最大静转矩 Tmax小。只有当负载转矩小于起动转矩(最大负载转矩)Tst，才 能保证电动机进行正常的步进运动。 若矩角特性为幅值相等的正弦波时，可得： mC TTTT sese st p p cos 2 cos 2 sin maxmaxmax 当C=1时，m 最小为3；m越大，起动转矩越大；C越大，起 动转矩越大。 转子振荡过程：转子振荡过程： 以上分析时认为，切换控制绕组时

15、，转子单调地趋向新的平 衡位置，但实际上要经过一个衰减的振荡过程。 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 为减小振荡幅度和时间，可 增加阻尼： 机械阻尼：增加电机转子的 干摩擦阻力或增加粘性阻力。 缺点：增大了惯性，快速性 能变坏，体积增大。 电气阻尼：多相激磁阻尼、 延迟断开阻尼。优点：方法 简单，效果好。 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 当负载转矩为零，且不计阻尼作用时，用外力使转子偏离稳 定平衡位置一个小角度，然后释放，则转子将在电磁转矩作 用

16、下向稳定位置运动，形成一个自由振荡，其运动方程为： T dt d J e T dt d J sin max 2 2 0sin 2 2 max e e r dt d TZ J re Z 0 2 2 max e e r dt d TZ J ee sin t ee00 cos解为： J TZr max 0 J TZ f rmax 0 2 1 p 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 2. 连续脉冲运行连续脉冲运行 极低频极低频-连续步进运行连续步进运行 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家

17、级规划教 材材 步进电机介绍 脉冲频率很低时的低频共振脉冲频率很低时的低频共振 频率介于极低频与高频 之间，此时脉冲间隔较长，电 动机起动和运行一般不会有问 题。但是，如果等于或接近于 步进电动机的振荡频率时，电 动机就会出现低频共振。 A相通电，OAdOBe OBd，此时第二个脉冲到来， 通电绕组由B相换为C相，工 作点由d移到f，由于转矩为负， 转子返向转动向OC移动。 低频共振现象 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 脉冲频率很高时的连续运行脉冲频率很高时的连续运行 当控制脉冲的频率很高时， 脉冲间隔的时间很短，电机

18、转 子尚未到达第一次振荡的幅值， 甚至还没有到达新的稳定平衡 位置，下一个脉冲就到来。此 时电机的运行已由步进变成了 连续平滑的转动，转速也比较 稳定。 当频率太高时，也会产生 失步，甚至还会产生高频振荡。 连续运行状态 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 起动频率和起动特性起动频率和起动特性 fst 是指一定负载转矩下能够不失步地起动的脉冲最高频率， 它的大小与电动机本身参数、负载转矩及转动惯量的大小， 以及电源条件等因素有关。它是步进电动机的一项重要技术 指标。 fst=f(TL) 起动矩频特性 fst=f(J) 起动

19、惯频特性 连续运行频率与运行矩频特性连续运行频率与运行矩频特性 步进电动机带一定负载正常起动后，连续缓慢地升高脉 冲频率，直到不丢步运行的最高频率，称为运行频率。 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 f L T 0 起动 连续运行 矩频特性 f 0J 起动惯频特性 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 那么，为什么频率升高后电机的转矩会下降呢？那么，为什么频率升高后电机的转矩会下降呢？ 因为，控制绕组呈电感性，它具有延缓电流变化的因为，控制绕组呈电感性，

20、它具有延缓电流变化的 作用。作用。 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 4.4 其他型式步进电机其他型式步进电机 1. 永磁式步进电动机永磁式步进电动机 定子为两相(或多相)绕组； 转子为星形永久磁钢； 转子极数应与定子每相极 数相同。 极对数p=2 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 二相单四拍：定子绕组按AB(-A)(-B)A的次 序通电，转子将顺时针方向转过45。步距角为： pN s 360 mmN se p p p 2 22 二相双四拍：定子绕

21、组按ABB(-A)(-A)(-B)(- B)AAB的次序通电，转子将顺时针方向转过45。 永磁式步进电动机的特点是永磁式步进电动机的特点是：步距角大，启动和运行 频率低，需正负脉冲供电 ；但所需控制功率小，效率 高。 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 2. 混合式步进电动机（永磁感应子式）混合式步进电动机（永磁感应子式） 定子结构与反应式步进电动机相同。 转子由环形磁钢和两段铁芯组成，环形磁钢在转子中部，轴 向充磁，两段铁芯分别装在磁钢的两端。 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国

22、家级规划教 材材 N S NS 定子铁芯 定子绕组 转子 永磁磁通 永磁体 AB A B A A S 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 N B B 步进电机介绍 气隙上有两个磁动势：一个永磁磁动势，一个是 控制绕组通电产生的磁动势。它们有时相加，有 时相减。故称为混合式。 运行原理运行原理 (1) 定子A相绕组通电时，在电磁转矩作用下转子 处于稳定平衡位置，如下图（a)所示。 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 (2)若使转子偏离稳定平衡位置，如下图(b)所示，转子向右 偏离了一个角度，在不同

23、端、不同极的转矩作用方向是相 同的，都是使转子回到稳定平衡位置的方向。 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 定子 转子 3 )(S )(N 5) (N )(N)(N )(S 5 )(N 3 (S) (S)(S) 转子 定子 3 )(S )(N T 5 )(N )(N)(N T 5 )(N )(S T 3 T (S) (S)(S) （a) (b) 步进电机介绍 4.5 步进电动机的驱动电源步进电动机的驱动电源 一、对驱动电源的基本要求一、对驱动电源的基本要求 驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都要 满足步进电动机的要求； 要满足步进电动

24、机起动频率和连续运行频率的 要求； 能最大限度地抑制步进电动机的振荡； 工作可靠，抗干扰能力强； 成本低、效率高，安装维护方便。 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 二、驱动电源组成二、驱动电源组成 变频 信号源 脉冲 分配器 功率 放大器 步进 电动机 负载 指令 变频信号源：是一个脉冲频率由几赫到几十千赫可连续 变化的信号发生器，可以是计算机或振荡器。 脉冲分配器：一种逻辑电路，由双稳态触发器和门电路 组成，它可能将输入的电脉冲信号根据需要循环地分配 到脉冲放大器进行功率放大，并使步进电动机按选定的 运行方式工作。 4

25、.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 三相单三拍脉冲分配器 1 J 2 J 2 K 1 K 1 Q 1 Q 2 Q 2 Q CPCP 1 Q 2 Q 2 Q 1 Q 2 Q A B C 0 U 预置 A B C JKQ(t+1)说 明 101置“1” 010置“0” 00Q(t)不变 11(t)求补 Q JK触发器真值表 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 三相单、双六拍单转向脉冲分配器三相单、双六拍单转向脉冲分配器 Q Q S R Q Q S R Q Q S R RS1RS2RS3 123456 AB C 4.步进电机步进电机 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教 材材 步进电机介绍 功率驱动电路功率驱动电路 单极性驱动（反应式步进电动机） q单一电压型功率放大电路 优点：线路简单，功率元件少，成本 低。 缺点：Rf1上要消耗能量，工作效率低。 只适用于小功率步进电动机。如果电 容C选择不当，在低频段会使振荡有 所增加，使低频性能变