第9章 步进电动机

1、第第1111章章 步进电动机步进电动机 第第9章章 步进电动机步进电动机 9.1 概述概述 9.2 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 9.3 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 9.4 步进电动机的单步运行状态步进电动机的单步运行状态 9.5 步进电动机的连续脉冲运行和动特性步进电动机的连续脉冲运行和动特性 9.6 电源及分配方式对电机性能的影响电源及分配方式对电机性能的影响 9.7 步进电动机主要性能指标步进电动机主要性能指标 9.8 其它类型的步进电动机其它类型的步进电动机 思考题与习题思考题与习题 第第1111章章 步进电

2、动机步进电动机 9.1 概概 述述 步进电动机（脉冲电动机）步进电动机（脉冲电动机） 是数字控制系统中的一种执行元件。是数字控制系统中的一种执行元件。 功用：将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，功用：将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移， 即给一个即给一个脉冲电信号，脉冲电信号， 电动机就转动一个角度或前进一步。电动机就转动一个角度或前进一步。 图 9 - 1 步进电动机的功用 第第1111章章 步进电动机步进电动机 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成正比成正比（图（图9- 2(a)）； 转速转速n或线速度或线速度v与脉冲频率与脉冲频率

3、f成正比成正比（图（图9- 2(b)）。 适用场合：适用场合：开环系统中作执行元件，开环系统中作执行元件， 使控制系统大为简化。使控制系统大为简化。 很适合采用很适合采用微型计算机控制。微型计算机控制。 图 11 - 2 步进电动机的控制特性第第1111章章 步进电动机步进电动机 应用场合：应用场合：步进电动机用于机械加工的数字程序控制机床中步进电动机用于机械加工的数字程序控制机床中(即即数控机数控机床床)； 在绘图机、在绘图机、 轧钢机的自动控制；轧钢机的自动控制； 自动记录仪表和数自动记录仪表和数模变换等。模变换等。 图9- 3 复杂零件的加工 第第1111章章 步进电动机步进电动机 在现

4、代工业，在现代工业， 特别是航空、特别是航空、 导弹、导弹、 无线电等工业中，无线电等工业中， 要求加工的机械零件形状复杂，要求加工的机械零件形状复杂， 数量多，数量多， 精度高，精度高， 利用人利用人工操作不仅劳动强度大，工操作不仅劳动强度大， 生产效率低，生产效率低， 而且难以达到所要而且难以达到所要求的精度。求的精度。 例图例图9 - 3是一个是一个劈锥劈锥， 形状比较复杂，形状比较复杂， 精度要精度要求比较高，求比较高， 用普通机床或仿形机床加工都是有困难的；用普通机床或仿形机床加工都是有困难的； 通通常用坐标镗床一点一点地加工，常用坐标镗床一点一点地加工， 然后进行人工修整，然后进行

5、人工修整， 这样这样耗费的时间就太长了。耗费的时间就太长了。 为了缩短生产周期，为了缩短生产周期， 提高生产效率，提高生产效率， 可用程序控制铣床进行加工。可用程序控制铣床进行加工。 铣床需要作铣床需要作3种动作：种动作： (1) 铣刀作径向移动铣刀作径向移动(Y方向方向)； (2) 工件以轴为中心作旋转工件以轴为中心作旋转(方向方向)； (3) 工件沿轴向移动工件沿轴向移动(X方向方向)。 第第1111章章 步进电动机步进电动机 为了达到精度要求，为了达到精度要求， 对这对这 3 种动作必须非常准确地进种动作必须非常准确地进行控制。行控制。 数字程序控制铣床就是可以准确地进行自动控制数字程序

6、控制铣床就是可以准确地进行自动控制的机床。的机床。 在数控铣床中，在数控铣床中， 上面上面 3 个方向的动作分别由个方向的动作分别由3 个个步进电动机即步进电动机即Y方向步进机，方向步进机， X方向步进机，方向步进机， 方向步进机方向步进机来拖动，来拖动， 每一个方向步进电动机都由电脉冲控制。每一个方向步进电动机都由电脉冲控制。 加工零加工零件时，件时， 根据零件加工的要求和加工的工序编制计算机程序根据零件加工的要求和加工的工序编制计算机程序语言，语言， 并将该程序送入电子计算机；并将该程序送入电子计算机； 计算机就对每一方向计算机就对每一方向的步进电动机给出相应的控制电脉冲，的步进电动机给出

7、相应的控制电脉冲， 指令步进电动机按指令步进电动机按照加工的要求依次做各种动作，照加工的要求依次做各种动作， 如转速加快、如转速加快、 减慢、减慢、 启动、启动、 停止、正转、停止、正转、 反转等；反转等； 然后步进电动机再通过滚珠丝杠带然后步进电动机再通过滚珠丝杠带动机床运动。动机床运动。 数控机床整个工作示意图（图数控机床整个工作示意图（图9- 4）。）。 第第1111章章 步进电动机步进电动机 图 9 - 4 数控机床工作示意图 第第1111章章 步进电动机步进电动机 机床各个方向严格地按照根据零件加工的形状所编的控制程机床各个方向严格地按照根据零件加工的形状所编的控制程序协调地动作，序

8、协调地动作， 不要人工操作就能自动地加工出精度高、不要人工操作就能自动地加工出精度高、 形形状复杂的零件。利用数控机床加工零件不但可以大大地提高状复杂的零件。利用数控机床加工零件不但可以大大地提高劳动效率，劳动效率， 而且加工精度而且加工精度也高。也高。 数控铣床、数控车床、数控铣床、数控车床、 数控钻床、数控钻床、 线切割机床等，线切割机床等， 其工作其工作原理相似。原理相似。 步进电动机是数控机床中的关键元件。步进电动机是数控机床中的关键元件。 目前，目前， 步进电动机的步进电动机的功率做得越来越大，功率做得越来越大， 已生产出所谓已生产出所谓“功率步进电动机功率步进电动机”。 它它不通过

9、力矩放大装置，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直接由功率步进电动机来带动机床运动，动， 从而提高了系统精度，从而提高了系统精度， 简化了传动系统的结构。简化了传动系统的结构。第第1111章章 步进电动机步进电动机 从数控机床加工过程来看，从数控机床加工过程来看， 对步进电动机的基本要求是：对步进电动机的基本要求是： (1) 步进电动机在电脉冲的控制下能迅速启动、步进电动机在电脉冲的控制下能迅速启动、 正反转、正反转、 停转及在很宽的范围内进行转速调节；停转及在很宽的范围内进行转速调节； (2) 为了提高精度，为了提高精度， 要求一个脉冲对应的位移量小，要求一个脉冲对应的位

10、移量小， 并并要准确、要准确、 均匀。均匀。 这就要求步进电动机步距小、这就要求步进电动机步距小、 步距精度步距精度高，高， 不得丢步或越步；不得丢步或越步； (3) 动作快速。动作快速。 即不仅启动、即不仅启动、 停步、停步、 反转快，反转快， 并能连续并能连续高速运转以提高劳动生产率；高速运转以提高劳动生产率； (4) 输出转矩大，输出转矩大， 可直接带动负载。可直接带动负载。 第第1111章章 步进电动机步进电动机 9.2 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 一、 典型结构 图 9 - 5 四相反应式步进电动机的结构第第1111章章 步进电动机步进电

11、动机 图图9 - 5是一台四相电机，是一台四相电机， 定子铁心由硅钢片叠成，定子铁心由硅钢片叠成， 定子上定子上有有 8 个磁极个磁极(大齿大齿)， 每个磁极上又有许多小齿。每个磁极上又有许多小齿。 四相反应式四相反应式步进电动机共有步进电动机共有 4 套定子控制绕组，套定子控制绕组， 绕在径向相对的两个磁绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。极上的一套绕组为一相。 转子也是由叠片铁心构成，转子也是由叠片铁心构成， 沿圆沿圆周有很多小齿，周有很多小齿， 转子上没有绕组。转子上没有绕组。 根据工作要求，根据工作要求， 定子磁极上小齿的齿距和转子上小齿的齿定子磁极上小齿的齿距和转子上小齿的齿距

12、必须相等，距必须相等， 而且转子的齿数有一定的限制。而且转子的齿数有一定的限制。 图中转子齿数为图中转子齿数为50个，个， 定子每个磁极上小齿数为定子每个磁极上小齿数为5个。个。 第第1111章章 步进电动机步进电动机 二、反应式步进电动机的工作原理二、反应式步进电动机的工作原理利用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转利用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动的。矩而转动的。 图图9 - 6是一台三相反应式步进电动机，是一台三相反应式步进电动机， 定子有定子有 6 个极，个极， 不带小齿，不带小齿， 每两个相对的极上绕有一相控制绕组，每两个相对的极上绕有一相控制绕组， 转

13、子转子只有只有 4 个齿，个齿， 齿宽等于定子的极靴宽。齿宽等于定子的极靴宽。 图 9 - 6 三相单三拍运行(a) A相接通； (b) B相接通； (c) C相接通 第第1111章章 步进电动机步进电动机 当当A相控制绕组通电，相控制绕组通电， 而而B相和相和C相都不通电时，相都不通电时， 由于磁由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，通具有力图走磁阻最小路径的特点， 所以转子齿所以转子齿1和和3的轴线的轴线与定子与定子A极轴线对齐。极轴线对齐。 同理，同理， 当断开当断开A相接通相接通B相时，相时， 转子转子便按逆时针方向转过便按逆时针方向转过30， 使转子齿使转子齿2和和4的轴线与定子的轴

14、线与定子B极极轴线对齐。轴线对齐。 断开断开B相，相， 接通接通C相，相， 则转子再转过则转子再转过30， 使转使转子齿子齿1和和3的轴线与的轴线与C极轴线对齐。极轴线对齐。 图 9 - 6 三相单三拍运行(a) A相接通； (b) B相接通； (c) C相接通 第第1111章章 步进电动机步进电动机 按按A - B - C - A顺序不断接通和断开控制绕组，顺序不断接通和断开控制绕组， 转子就会转子就会一步一步地按逆时针方向连续转动。一步一步地按逆时针方向连续转动。 其转速取决于各控制绕组通电和断电的频率其转速取决于各控制绕组通电和断电的频率(即输入的脉冲频即输入的脉冲频率率)， 旋转方向取

15、决于控制绕组轮流通电的顺序。旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。 通电次序改为通电次序改为A - C - B - A 则电机转向相反，则电机转向相反， 变为按顺时变为按顺时针方向转动。针方向转动。 按按A - B - C - A 方式运行的称为三相单三拍运行。方式运行的称为三相单三拍运行。“三相三相”， 是指此步进电动机具有三相定子绕组；是指此步进电动机具有三相定子绕组； “单单”是是指每次只有一相绕组通电；指每次只有一相绕组通电； “三拍三拍”指三次换接为一个循环，指三次换接为一个循环， 第四次换接重复第一次的情况。第四次换接重复第一次的情况。 第第1111章章 步进电动机步进电动机 (a

16、) AB相通电相通电 (b) BC相通电相通电图图9-7 三相双三拍运行三相双三拍运行三相双三拍的通电方式：三相双三拍的通电方式：控制绕组的通电方式为控制绕组的通电方式为ABBCCAAB ACCBBAAC第第1111章章 步进电动机步进电动机 三相六拍运行三相六拍运行供电方式是供电方式是A - AB - B - BC - C - CA - A A - AC -C - CB - B - BA - A 每一循环换接每一循环换接 6 次，次， 总共有总共有 6 种通电状态，种通电状态， 这这 6 种通电种通电状态中有时只有一相绕组通电状态中有时只有一相绕组通电(如如A相相)， 有时有两相绕组有时有两

17、相绕组同时通电同时通电(如如A相和相和B相相)。 图图9 - 8表示按这种方式对控制表示按这种方式对控制绕组供电时转子位置和磁通分布的图形。绕组供电时转子位置和磁通分布的图形。第第1111章章 步进电动机步进电动机 图 9 - 8 三相六拍运行 (a) A相通电； (b) A、 B相通电； (c) B相通电； (d) B、 C相通电第第1111章章 步进电动机步进电动机 三、反应式步进电动机的步距角三、反应式步进电动机的步距角步距角：每一步转子转过的角度。步距角：每一步转子转过的角度。书中图书中图9-2所示的步进电机，定子有所示的步进电机，定子有6个磁极，每个磁极上有个磁极，每个磁极上有5个个

18、小齿；转子有小齿；转子有50个小齿，定子上小齿与转子上小齿的齿距相个小齿，定子上小齿与转子上小齿的齿距相等。运行方式为三相单三拍运行，即等。运行方式为三相单三拍运行，即 A - B - C A 齿距角齿距角t t（相邻两齿间的夹角）：（相邻两齿间的夹角）： 定子一个极距所占的齿数为定子一个极距所占的齿数为3607.250t50182 33第第1111章章 步进电动机步进电动机 图 9 - 9 转子为50齿时定转子的相对位置（a）A相通电 （b）B相通电（c）C相通电第第1111章章 步进电动机步进电动机 图 9 10 A相通电时定、 转子齿的相对位置图 9 - 5 四相反应式步进电动机的结构图

19、图9-5所示的步进电机，定子有所示的步进电机，定子有8个磁极，每个磁极，每个磁极上有个磁极上有5个小齿；转子有个小齿；转子有50个小齿，定子个小齿，定子上小齿与转子上小齿的齿距相等。运行方式上小齿与转子上小齿的齿距相等。运行方式为三相单三拍运行时，步距角是多少？为三相单三拍运行时，步距角是多少？ 第第1111章章 步进电动机步进电动机 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，即单相通电和两相通电相间时， 与上面与上面三相步进电动机道理完全一样，三相步进电

20、动机道理完全一样， 当当A相通电转到相通电转到A、 B两相同两相同时通电时，时通电时， 定、定、 转子齿的相对位置由图转子齿的相对位置由图9 -10所示的位置变为所示的位置变为图图9 - 11那样的位置那样的位置(只画出只画出A、 B两个极下的齿两个极下的齿)， 转子按顺时转子按顺时针方向只转过针方向只转过1/8齿距角，齿距角， 即即0.9， A极和极和B极下的齿轴线与转极下的齿轴线与转子齿轴线都还错开子齿轴线都还错开1/8齿距角。齿距角。 图 9 10 A相通电时定、 转子齿的相对位置图 9 11 A、 B两相通电时定、 转子齿的相对位置第第1111章章 步进电动机步进电动机 当当B相一相通

21、电时，相一相通电时， 转子齿轴线与转子齿轴线与B极下齿轴线相重合，极下齿轴线相重合， 转子按顺时针方向又转过转子按顺时针方向又转过1/8齿距角。齿距角。 这样继续下去，这样继续下去， 每每换接一次绕组，换接一次绕组， 转子转过转子转过1/8齿距角。齿距角。 可见四相八拍运行可见四相八拍运行时的步距角比四相四拍运行时也小一半。时的步距角比四相四拍运行时也小一半。 当步进电动机运行方式为四相双四拍，当步进电动机运行方式为四相双四拍， 即即AB - BC - CD - DA - AB 方式通电时，方式通电时， 步距角与四相单四拍运行时步距角与四相单四拍运行时一样为一样为1/4齿距角，齿距角， 即即1

22、.8。 第第1111章章 步进电动机步进电动机 四、步进电动机的基本特点四、步进电动机的基本特点 (1) 步进电动机工作时，步进电动机工作时， 每相绕组由专门驱动电源通过每相绕组由专门驱动电源通过“环环形分配器形分配器”按一定规律轮流通电。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，例如一个按三相双三拍运行的环形分配器输入是一路， 输出输出有有A、 B、 C三路。三路。 若开始是若开始是A、 B这两路有电压，这两路有电压， 输入一输入一个控制电脉冲后，个控制电脉冲后， 就变成就变成B、 C这两路有电压，这两路有电压， 再输入一个再输入一个电脉冲，电脉冲， 则变成则变成

23、C、 A这两路有电压，这两路有电压， 再输入一个电脉冲，再输入一个电脉冲， 又变成又变成A、 B这两路有电压了。这两路有电压了。 图9 - 12 控制方框图 第第1111章章 步进电动机步进电动机 环形分配器输出的各路脉冲电压信号，环形分配器输出的各路脉冲电压信号， 经过各自的放大器经过各自的放大器放大后送入步进电动机的各相绕组，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使步进电动机一步步转动。动。 图图9 -13表示三相双三拍运行时控制电脉冲及各相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。压随时间变化的波形图。 图 9 -13 三相双三拍运行时各相控制

24、电压波形图 第第1111章章 步进电动机步进电动机 步进电动机这种轮流通电的方式称为步进电动机这种轮流通电的方式称为“分配方式分配方式”。 每循环一次所包含的通电状态数称为每循环一次所包含的通电状态数称为“状态数状态数”或或“拍数拍数”。 状态数等于相数的称为状态数等于相数的称为单拍制分配方式单拍制分配方式(如三相双三拍、如三相双三拍、 四相四相双四拍等双四拍等)， 状态数等于相数的两倍的称为状态数等于相数的两倍的称为双拍制分配方式双拍制分配方式(如三相六拍，如三相六拍， 四相八拍等四相八拍等)。 同一台电机可有多种分配方式。同一台电机可有多种分配方式。 不管分配方式如何，不管分配方式如何，

25、每循环每循环一次，一次， 控制电脉冲控制电脉冲Uk的个数总等于拍数的个数总等于拍数N， 而加在每相绕组而加在每相绕组上的脉冲电压上的脉冲电压(或电流或电流)个数却等于个数却等于1， 因而控制电脉冲频率因而控制电脉冲频率f是是每相脉冲电压每相脉冲电压(或电流或电流)频率频率f相相的的N倍，倍， 即即Nff相第第1111章章 步进电动机步进电动机 (2) 每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角，每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角， 用用符号符号b表示。表示。 当电机按四相单四拍运行，当电机按四相单四拍运行， 即按即按A - B - C - D - A 顺序顺序通电时，通电时， 若开

26、始是若开始是A相通电，相通电， 转子齿轴线与转子齿轴线与A相磁极的齿轴相磁极的齿轴线对齐；线对齐； 换接一次绕组，换接一次绕组， 转子转过的角度为转子转过的角度为1/4齿距角；齿距角； 转转子需要走子需要走 4 步，步， 才转过一个齿距角；才转过一个齿距角； 此时转子齿轴线又重此时转子齿轴线又重新与新与A相磁极的齿轴线对齐。相磁极的齿轴线对齐。当电机在四相八拍运行，当电机在四相八拍运行， 即按即按A - AB - B - BC - C - CD - D - DA 顺序通电时，顺序通电时， 换接一次绕组，换接一次绕组， 转子转过的角度为转子转过的角度为1/8齿距角；齿距角； 转子需要走转子需要走

27、 8 步才转过一个齿距角。步才转过一个齿距角。第第1111章章 步进电动机步进电动机 (式中，式中， ZR为转子齿数为转子齿数)， 所以转子每步转过的空间角度所以转子每步转过的空间角度(机械角度机械角度)， 即步距角为即步距角为 NZNRtb360(9 - 2) 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)。 由于转子相邻两齿间的夹角，由于转子相邻两齿间的夹角， 即齿距角为即齿距角为RtZ360(9 - 1) 第第1111章章 步进电动机步进电动机 减小步距角可以增加拍数减小步距角可以增加拍数N。 1、相数增加相当于拍数增加，、相数增加相当于拍数增加，

28、 但相数越多，但相数越多， 电源及电机电源及电机的结构也越复杂。的结构也越复杂。 反应式步进电动机一般做到六相，反应式步进电动机一般做到六相， 个个别的也有八相或更多相数。别的也有八相或更多相数。 对同一相数既可以采用单拍对同一相数既可以采用单拍制，制， 也可采用双拍制。也可采用双拍制。 采用双拍制时步距角减小一半。采用双拍制时步距角减小一半。 所以一台步进电动机可有两个步距角，所以一台步进电动机可有两个步距角， 如如1.5/0.75、1.2/0.6、 3/1.5等。等。2、增加转子齿数、增加转子齿数ZR， 步距角也可减小。步距角也可减小。 所以反应式步进所以反应式步进电动机的转子齿数一般是很

29、多的。电动机的转子齿数一般是很多的。 通常反应式步进电动通常反应式步进电动机的步距角为零点几度到几度。机的步距角为零点几度到几度。 第第1111章章 步进电动机步进电动机 如果将转子齿数看作为转子的极对数，如果将转子齿数看作为转子的极对数， 那末一个齿就对应那末一个齿就对应360电角度电角度(或或2电弧度电弧度)， 即用电角度即用电角度(或电弧度或电弧度)表示的齿表示的齿距角为距角为 te=360 或或 te=2 rad 相应的步距角为相应的步距角为NNtebe360(9 - 3)第第1111章章 步进电动机步进电动机 (9 - 5) 可见，可见， 与一般电机一样，与一般电机一样， 电角度等于

30、机械角度乘上极电角度等于机械角度乘上极对数对数(这里是转子齿数这里是转子齿数)。 或或 )(2redNbe(9 - 4) 所以当拍数一定时，所以当拍数一定时， 不论转子齿数多少，不论转子齿数多少， 用电角度表示用电角度表示的步距角均相同。的步距角均相同。 考虑到式考虑到式(9- 2)， 用电角度表示的用电角度表示的步距角步距角RbRRbeZZZN360第第1111章章 步进电动机步进电动机 (3) 反应式步进电动机可以按特定指令进行角度控制，反应式步进电动机可以按特定指令进行角度控制， 也可以进也可以进行速度控制。行速度控制。 角度控制时，角度控制时， 每输入一个脉冲，每输入一个脉冲， 定子绕

31、组就换接一次，定子绕组就换接一次， 输出轴输出轴就转过一个角度，就转过一个角度， 其步数与脉冲数一致，其步数与脉冲数一致， 输出轴转动的角位移输出轴转动的角位移量与输入脉冲数成正比。量与输入脉冲数成正比。 速度控制时，速度控制时， 送入步进电动机的是连续脉冲，送入步进电动机的是连续脉冲， 各相绕组不断地各相绕组不断地轮流通电，轮流通电， 步进电机连续运转，步进电机连续运转， 它的转速与脉冲频率成正比。它的转速与脉冲频率成正比。 由式由式(9 - 2)可见，可见， 每输入一个脉冲，每输入一个脉冲， 转子转过的角度是整个圆转子转过的角度是整个圆周角的周角的1/(ZRN)， 也就是转过也就是转过1/

32、(ZRN)转，转， 因此每分钟转子所转因此每分钟转子所转过的圆周数，过的圆周数， 即转速为即转速为式中，式中， f为控制脉冲的频率，为控制脉冲的频率， 即每秒输入的脉冲数。即每秒输入的脉冲数。 min)/(60rNZfnR（96）第第1111章章 步进电动机步进电动机 反应式步进电动机转速取决于脉冲频率、反应式步进电动机转速取决于脉冲频率、 转子齿数和拍数，转子齿数和拍数， 而与电压、而与电压、 负载、负载、 温度等因素无关。温度等因素无关。 当转子齿数一定时，当转子齿数一定时， 转子旋转速度与输入脉冲频率成正比，转子旋转速度与输入脉冲频率成正比， 或者说其转速和脉冲频率同步。或者说其转速和脉

33、冲频率同步。 改变脉冲频率可以改变转速，改变脉冲频率可以改变转速， 故可进行无级调速，故可进行无级调速， 调速范围很宽。调速范围很宽。 改变通电顺序，改变通电顺序， 即改变定子磁场旋转的方向，即改变定子磁场旋转的方向， 就可以控制电就可以控制电机正转或反转。机正转或反转。 步进电动机是用电脉冲进行控制的电机。步进电动机是用电脉冲进行控制的电机。 改变电脉冲输入的改变电脉冲输入的情况，情况， 就可方便地控制它，就可方便地控制它， 使它快速启动、使它快速启动、 反转、反转、 制动或制动或改变转速。改变转速。 第第1111章章 步进电动机步进电动机 步进电动机的转速还可用步距角来表示，将式步进电动机

34、的转速还可用步距角来表示，将式(9 - 6)进行变进行变换，换， 可得可得min)/(63603606060rfNZfNZfnbRR(9 - 7) 式中，式中， b为用度数表示的步距角。为用度数表示的步距角。 当脉冲频率当脉冲频率f一定时，一定时， 步距角越小，步距角越小， 电机转速越低，电机转速越低， 因而输出因而输出功率越小。功率越小。 从提高加工精度上要求，从提高加工精度上要求， 应选用小的步距角，应选用小的步距角， 但从提高输出但从提高输出功率上要求，功率上要求， 步距角又不能取得太小。步距角又不能取得太小。一般步距角应根据系统中应用的具体情况进行选取。一般步距角应根据系统中应用的具体

35、情况进行选取。第第1111章章 步进电动机步进电动机 (4) 步进电机具有自锁能力。步进电机具有自锁能力。 当控制电脉冲停止输入，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而让最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时，通直流电时， 电机可以保持在固定的位置上，电机可以保持在固定的位置上， 即停在最后一即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上。个脉冲控制的角位移的终点位置上。 步进电动机可以实现停步进电动机可以实现停车时转子定位。车时转子定位。 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变化的影响(在允许负载范围内

36、在允许负载范围内)， 也不受环境条件也不受环境条件(温度、温度、 压压力、力、 冲击、冲击、 振动等振动等)变化的影响，变化的影响， 只与控制脉冲同步，只与控制脉冲同步， 同时同时它又能按照控制的要求，它又能按照控制的要求， 实现启动、实现启动、 停止、停止、 反转或改变转反转或改变转速。速。 因此，因此， 步进电动机被广泛地应用于各种数字控制系统中。步进电动机被广泛地应用于各种数字控制系统中。 第第1111章章 步进电动机步进电动机 9.3 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 步进电机的静态运行步进电机的静态运行通电状态不变，电机处于稳定状态。通电状态不变，电机处于

37、稳定状态。静态运行特性静态运行特性不改变通电状态，也就是一相或几相控制绕组通有直流电时的不改变通电状态，也就是一相或几相控制绕组通有直流电时的运行特性。运行特性。一、矩角特性一、矩角特性1、初始稳定平衡位置、初始稳定平衡位置步进电机在空载情况下，控制绕组通以直流电时转子的最后稳步进电机在空载情况下，控制绕组通以直流电时转子的最后稳定平衡位置，或称零位。此时，静态转矩为零定平衡位置，或称零位。此时，静态转矩为零第第1111章章 步进电动机步进电动机 2、失调角、失调角步进电机转子偏离初始平衡位置的电角度，用步进电机转子偏离初始平衡位置的电角度，用e e表示。反应表示。反应式步进电机中，式步进电机

38、中，转子一个齿距对应的电角度为转子一个齿距对应的电角度为22。3 3、矩角特性矩角特性不改变通电状态，步进电机产生的静态转矩不改变通电状态，步进电机产生的静态转矩T随失调角随失调角e的变的变化规律，化规律， 即即T=f(e)曲线曲线单相通电时，单相通电时， 通电相极下的齿产生转矩，通电相极下的齿产生转矩， 这些齿与转子齿这些齿与转子齿的相对位置及所产生的转矩都是相同的，的相对位置及所产生的转矩都是相同的， 故可以用一对定、故可以用一对定、 转子齿的相对位置来表示转子位置，转子齿的相对位置来表示转子位置， 电机总的转矩等于通电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。相极下各个定子齿

39、所产生的转矩之和。 第第1111章章 步进电动机步进电动机 图 9 - 14 定、 转子齿的相对位置图图 9 - 14表示定子一个齿与转子一个齿的相对位置。表示定子一个齿与转子一个齿的相对位置。 定定子齿轴线与转子齿轴线之间的夹角子齿轴线与转子齿轴线之间的夹角e为电角度表示的转为电角度表示的转子失调角。子失调角。 t为一个齿距对应的角度，为一个齿距对应的角度， 称为齿距角。称为齿距角。 若若用电弧度表示，用电弧度表示， 则齿距角则齿距角te=2。第第1111章章 步进电动机步进电动机 当失调角当失调角e=0时，时， 转子齿轴线和定子齿轴线重合。转子齿轴线和定子齿轴线重合。 此时，此时， 定、定

40、、 转子齿之间虽有较大的吸力，转子齿之间虽有较大的吸力， 但吸力是垂直于转轴的，但吸力是垂直于转轴的， 不是不是圆周方向，圆周方向， 故电机产生的转矩为故电机产生的转矩为0， 如图如图9 15 (a)所示。所示。 把把e=0, T=0的位置称稳定平衡位置的位置称稳定平衡位置(或协调位置或协调位置)。 如果转子偏离这个位置，如果转子偏离这个位置， 转过某一角度时，转过某一角度时， 定、定、 转子齿之转子齿之间的吸力有了切向分量，间的吸力有了切向分量， 因而形成转矩因而形成转矩T， 此称为此称为静态转矩静态转矩。 图 9 - 15 定、 转子间的作用力 第第1111章章 步进电动机步进电动机 图

41、9 - 15 定、 转子间的作用力 随着失调角随着失调角e(顺时针方向定为正值顺时针方向定为正值)增加，增加， 电机产生的转矩增电机产生的转矩增大，大， 当当e+/2(即即1/4齿距角齿距角)时，时， 转矩最大。转矩最大。 转矩的方向是转矩的方向是逆时针的，逆时针的， 如图如图9 15 (b)， 故取转矩为负值故取转矩为负值。 失调角失调角e=+(即即1/2齿距角齿距角)时，时， 转子的位置正好使转子的齿转子的位置正好使转子的齿轴线对准定子槽的轴线，轴线对准定子槽的轴线， 转子槽轴线对准定子齿的轴线，转子槽轴线对准定子齿的轴线， 此此时，时， 相邻两个转子齿都受到中间那个定子齿的拉力，相邻两个

42、转子齿都受到中间那个定子齿的拉力， 对转子对转子的作用是相互平衡的，的作用是相互平衡的， 如图如图9 15 (c)， 故转矩也为故转矩也为0。 第第1111章章 步进电动机步进电动机 图 9 - 15 定、 转子间的作用力 当失调角当失调角e+时，时， 转子齿转到下一个定子齿下，转子齿转到下一个定子齿下， 受下一个受下一个定子齿的作用，定子齿的作用， 转矩的方向是使转子齿与该定子齿对齐，转矩的方向是使转子齿与该定子齿对齐， 是是顺时针方向，顺时针方向， 如图如图9 - 15(d)， 转矩取为正值。转矩取为正值。 当当e=+2时，时， 转子齿与下一个定子齿对齐，转子齿与下一个定子齿对齐， 转矩为

43、转矩为0。 失调角失调角e继续增加，继续增加， 转矩又重复上面情况作周期性的变化。转矩又重复上面情况作周期性的变化。 当失调角相对于协调当失调角相对于协调位置以相反的方向偏移，位置以相反的方向偏移， 即失调角为负值时，即失调角为负值时， -e0范围范围内转矩的方向为顺时针，内转矩的方向为顺时针， 故取正值，故取正值， 转矩值的变化情况与上转矩值的变化情况与上相同。相同。第第1111章章 步进电动机步进电动机 图 9 - 16 步进电动机的矩角特性 步进电动机矩角特性上的静态转矩最大值Tjmax表示了步进电动机承受负载的能力， 是步进电动机最主要的性能指标之一， 通常在技术数据中都会指明。第第1

44、111章章 步进电动机步进电动机 定性地讨论了单相通电时静态转矩与转子失调角的关系，根定性地讨论了单相通电时静态转矩与转子失调角的关系，根据据机电能量转换原理机电能量转换原理可推导静态转矩的数学表达式。可推导静态转矩的数学表达式。 T=-Tjmaxsine -(IN) 2ZsZRlG1sine (Nm) (9- 8) 式中，式中， Zs为定子每极下的小齿数；为定子每极下的小齿数； G为气隙比磁导为气隙比磁导 当失调角当失调角e=90时，时， 静态转矩为最大，静态转矩为最大， 即即 T=Tjmax=(IN) 2ZsZRlG1 (Nm) (9- 9) 当不计铁心饱和时，当不计铁心饱和时， 静态转矩

45、最大值与绕组电流平方成正比。静态转矩最大值与绕组电流平方成正比。 第第1111章章 步进电动机步进电动机 多相通电时的矩角特性和最大静态转矩多相通电时的矩角特性和最大静态转矩Tjmax与单相通电时不与单相通电时不同。同。 按照叠加原理，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。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。先以三相步进电机为例。 三相步进电动机可以单相通电，三相步进电动机可以单相通电， 也也可以两相同时通电，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下面推导三相步进电动机当两

46、相通电时(如如A、 B两相两相)的矩角特性。的矩角特性。 图图 9 - 17 A相和相和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 第第1111章章 步进电动机步进电动机 如果转子失调角e是指A相定子齿轴线与转子齿轴线之间的夹角， 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： TA=-T jmaxsin e 当B相也通电时， 由于e=0时的B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be， 其值为be=te/3=120电角度或2/3电弧度， 如图9 - 17所示。 所以B相通电时的矩角特性可表示为

47、 TB=-Tjmaxsin(e-120) 这是一条与A相矩角特性相距120(即te/3)的正弦曲线。 第第1111章章 步进电动机步进电动机 当当A、 B两相同时通电时合成矩角特性应为两者相加，两相同时通电时合成矩角特性应为两者相加， 即即 TAB =TA+TB=-Tjmaxsine-Tjmaxsin(e-120) =-Tjmaxsin(e-60) TAB是一条幅值不变，是一条幅值不变， 相移相移60(即即te/6)的正弦曲线。的正弦曲线。 A相、相、 B相及相及A、 B两相同时通电的矩角特性如图两相同时通电的矩角特性如图9 - 18(a)所示。所示。 除了用波形图表示多相通电时矩角特性外，除

48、了用波形图表示多相通电时矩角特性外， 还可用向量图还可用向量图来表示，来表示， 如图如图9 - 18(b)所示。所示。 图 9 - 18 三相步进电动机单相、 两相通电时的转矩 (a) 矩角特性； (b) 转矩向量图第第1111章章 步进电动机步进电动机 从上面对三相步进电动机两相通电时矩角特性的分析可以看从上面对三相步进电动机两相通电时矩角特性的分析可以看出，出， 两相通电时的最大静态转矩值与单相通电时的最大静态两相通电时的最大静态转矩值与单相通电时的最大静态转矩值相等。转矩值相等。 也就是说，也就是说， 对三相步进电机来说，对三相步进电机来说， 不能依靠不能依靠增加通电相数来提高转矩，增加

49、通电相数来提高转矩， 这是三相步进电机一个很大的缺这是三相步进电机一个很大的缺点。点。 如果不用三相，如果不用三相， 而用更多相时，而用更多相时， 多相通电是否能提高转矩多相通电是否能提高转矩呢呢? 回答是肯定的。回答是肯定的。 下面以五相电机为例进行分析。下面以五相电机为例进行分析。 第第1111章章 步进电动机步进电动机 图9 - 19 五相步进电动机单相、 两相、 三相通电时的矩角特性 图 9 20 五相步进电动机转矩向量图 第第1111章章 步进电动机步进电动机 与三相步进电机分析方法一样，与三相步进电机分析方法一样， 也可作出五相步进也可作出五相步进电机的单相、电机的单相、 两相、两

50、相、 三相通电时矩角特性的波形图和三相通电时矩角特性的波形图和向量图，向量图， 如图如图9 - 19和图和图9 - 20所示。所示。 由图可见，由图可见， 两相和两相和三相通电时矩角特性相对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2/10及及2/5， 静态转矩最大值两者相等，静态转矩最大值两者相等， 而且都比一相通电而且都比一相通电时大。时大。 因此，因此， 五相步进电动机采用两相五相步进电动机采用两相三相运行方三相运行方式式(如如AB - ABC - BC )不但转矩加大，不但转矩加大， 而且矩角特而且矩角特性形状相同，性形状相同， 这对步进电机运行的稳定性是非常有利

51、的，这对步进电机运行的稳定性是非常有利的， 在使用时应优先考虑这样的运行方式。在使用时应优先考虑这样的运行方式。 第第1111章章 步进电动机步进电动机 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： T1=-Tjmaxsin e T2=-Tjmaxsin(e-be) Tn=-Tjmaxsine-(n-1)be 所以所以n相同时通电时转矩相同时通电时转矩 beebebejbeebeeejnnnnnTnTTTTT21sin2sin2sin) 1(sin)sin(sinmaxmax211式中，式中， be为单拍制分配方式时的步距角为单拍制分配

52、方式时的步距角(电角度或电弧度电角度或电弧度)。 第第1111章章 步进电动机步进电动机 因为be=2/m， 所以 mnmmnTTejn1sinsinsinmax1因而因而m相电机相电机n相同时通电时转矩最大值与单相通电时转矩最相同时通电时转矩最大值与单相通电时转矩最大值之比大值之比mmnTTjnjsinsinmax)1max( (9 - 10)第第1111章章 步进电动机步进电动机 例如五相电动机两相通电时转矩最大值为maxmax)max(62. 15sin52sinjjABjTTT三相通电时 maxmax)max(62. 15sin53sinjjABCjTTT第第1111章章 步进电动机步

53、进电动机 9.4 步进电动机的单步运行状态步进电动机的单步运行状态 单步运行状态单步运行状态是指步进电动机在单相或多相通电状态下，是指步进电动机在单相或多相通电状态下， 仅改变一次通电状态时的运行方式，仅改变一次通电状态时的运行方式， 或输入脉冲频率非常或输入脉冲频率非常之低，之低， 以至加第二脉冲之前，以至加第二脉冲之前， 前一步已经走完，前一步已经走完， 转子运行转子运行已经停止的运行状态。已经停止的运行状态。第第1111章章 步进电动机步进电动机 9.4.1 步进电机的单步运行和最大负载能力步进电机的单步运行和最大负载能力假设矩角特性为正弦形，假设矩角特性为正弦形， 失调角失调角e是是A

54、相定子齿轴线与转子相定子齿轴线与转子齿轴线之间的夹角，齿轴线之间的夹角， A相通电时的矩角特性如图相通电时的矩角特性如图9- 21曲线曲线A所示。所示。 图中，图中，e=0的点是对应的点是对应A相定子齿轴线与转子齿轴线相定子齿轴线与转子齿轴线相重合时的转子位置，相重合时的转子位置， 称为平衡位置。称为平衡位置。 图 9 - 21 空载时步进电动机的单步运行 第第1111章章 步进电动机步进电动机 当电机处于理想空载即不带任何负载时，当电机处于理想空载即不带任何负载时， 转子停在转子停在e=0的的位置上。如果此时送入一个控制脉冲，位置上。如果此时送入一个控制脉冲， 切换为切换为B相绕组通相绕组通

55、电，电， 矩角特性就移动一个步距角矩角特性就移动一个步距角be(等于等于120)， 跃变跃变为曲线为曲线B， e=120就成为新的平衡位置。就成为新的平衡位置。切换的瞬时转子处于切换的瞬时转子处于e=0的位置，的位置， 对应对应e=0的电磁转矩已的电磁转矩已由由T=0突变为突变为T=Tjmaxsin120(对应图中对应图中a点的转矩点的转矩)； 电机电机在电磁转矩作用下将向新的初始平衡位置移动，在电磁转矩作用下将向新的初始平衡位置移动， 直至直至e=120为止。为止。 这样，这样， 电机从电机从e=0到到e=120步进了一步步进了一步(一个步距角一个步距角)。 如果不断送入控制脉冲，如果不断送

56、入控制脉冲， 使绕组按照使绕组按照A - B - C - A 顺序不断换接，顺序不断换接， 电机就不断地一步一步转动，电机就不断地一步一步转动， 每走一步转过一个步距角，每走一步转过一个步距角， 这就是步进电动机作单步运行这就是步进电动机作单步运行的情况。的情况。 第第1111章章 步进电动机步进电动机 当电机带有恒定负载当电机带有恒定负载TL时若时若A相通电，相通电， 转子将停留转子将停留在失调角为在失调角为ea的位置上，的位置上， 如图如图9 - 22所示。所示。 当当e=ea时，时， 电磁转矩电磁转矩TA(对应对应a点的转矩点的转矩)与负载转矩与负载转矩TL相等，相等， 转子处于平衡。转

57、子处于平衡。 图 9 - 22 加载时步进电动机的单步运行 第第1111章章 步进电动机步进电动机 如果送入控制脉冲，如果送入控制脉冲， 转换到转换到B相通电，相通电， 则转子所受的有则转子所受的有效转矩为电磁转矩效转矩为电磁转矩TB与负载转矩与负载转矩TL之差，之差， 即图即图9 - 22上的阴上的阴影部分。影部分。 转子在此转矩的作用下也转过一个步距角转子在此转矩的作用下也转过一个步距角120， 由由e=ea转到新的平衡位置转到新的平衡位置e=eb。 当绕组不断地换接时，当绕组不断地换接时， 电机不断地作步进运动，电机不断地作步进运动， 步距角仍为步距角仍为120电角度。电角度。 图 9

58、- 22 加载时步进电动机的单步运行 第第1111章章 步进电动机步进电动机 步进电机作单步运行时能带动的最大负载步进电机作单步运行时能带动的最大负载图 9 - 23 最大负载能力的确定 第第1111章章 步进电动机步进电动机 图图9 - 23表示电机作单步运行时的矩角特性，表示电机作单步运行时的矩角特性， 图中相邻两状图中相邻两状态矩角特性的交点所对应的电磁转矩用态矩角特性的交点所对应的电磁转矩用Tq表示。表示。 1、当电机所带负载的阻转矩、当电机所带负载的阻转矩TLTq时，时， 如果开始时转子是如果开始时转子是处在失调角为处在失调角为em的平衡点的平衡点m， 当控制脉冲切换通电绕组当控制脉

59、冲切换通电绕组使使B相通电时，相通电时， 矩角特性跃变为曲线矩角特性跃变为曲线B。 对应角对应角em的电的电磁转矩大于负载转矩，磁转矩大于负载转矩， 电机就能在电磁转矩作用下转过一电机就能在电磁转矩作用下转过一个步距角到达新的平衡位置个步距角到达新的平衡位置n。2、当负载阻转矩、当负载阻转矩T LTq， 开始时转子处于失调角为开始时转子处于失调角为em的的m点，点， 当绕组切换后，当绕组切换后， 对应角对应角em的电磁转矩小于负载的电磁转矩小于负载转矩，转矩， 电机就不能作步进运动。电机就不能作步进运动。 第第1111章章 步进电动机步进电动机 电机作单步运动所能带动的极限负载（极限启动转矩）

60、：电机作单步运动所能带动的极限负载（极限启动转矩）：电机以一定通电方式运行时，电机以一定通电方式运行时， 相邻矩角特性的交点所对应相邻矩角特性的交点所对应的转矩的转矩Tq。 实际电机所带的负载转矩实际电机所带的负载转矩TL必须小于极限启动转矩才能运必须小于极限启动转矩才能运行，行， 即即 TLTq (9 - 11)步距角减少可使相邻矩角特性位移减少，步距角减少可使相邻矩角特性位移减少， 就可提高极限启就可提高极限启动转矩动转矩Tq， 增大电机的负载能力。增大电机的负载能力。 第第1111章章 步进电动机步进电动机 例如三相步进电动机当运行方式为三相单三拍或三相双三拍例如三相步进电动机当运行方式