第五章 步进电机

1、第五章 步进电机步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。类电动机。 步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信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，说得通俗一号转换成相应的角位移或线位移的控制电机，说得通俗一点，就是给一个脉冲信号，电动机就转动一个角度或前进点，就是给一个脉冲信号，电动机就转动一个角度或前进一步。因此，这种电动机也称为脉冲电动机。一步。因此，这种电动机也称为脉冲电动机。 (1) 在一定的速度范围内稳定运行，输出轴在一定的速度范围内稳定运行，输出轴转过

2、的步数必须等于输入脉冲数，既不能转过的步数必须等于输入脉冲数，既不能多走，也不能少多走，也不能少 ，即不能有，即不能有“失步失步”现象。现象。 (2) 每输入一个脉冲信号，输出轴所转过的每输入一个脉冲信号，输出轴所转过的角度称为步距角，该值要小而且精度要高。角度称为步距角，该值要小而且精度要高。 (3) 允许的工作频率高，这样才能动作迅速允许的工作频率高，这样才能动作迅速步进电机的基本要求步进电机的基本要求一一.步进电机的结构与分类步进电机的结构与分类按工作方式分按工作方式分： 功率式功率式 转矩大转矩大 伺服式伺服式 转矩小转矩小 按工作原理分：按工作原理分： 反应式反应式(磁阻式磁阻式 )

3、永磁式永磁式 永磁感应式永磁感应式 反应式步进电机ABABCC三相反应式步进电机剖面图 永磁式步进电机定子控制绕组永磁转子定子磁极NNSSAB永磁式步进电机剖面图 混合式步进电机NNSSBABA定子绕组转子定子永磁体混合式步进电机 1.1. 特征：特征： l定子内圆和转子外圆均有齿和槽。 l定子和转子的齿宽和齿距相等。2.2. 规定：规定： 当一相磁极下定子与转子的齿相对时，下一相磁极下定子与转子齿的位置刚好错开（ z 齿距，m相数）。 反应式步进电动机有力矩惯性比高、步进反应式步进电动机有力矩惯性比高、步进频率高、频率响应快、可双向旋转、结构频率高、频率响应快、可双向旋转、结构简单和寿命长等

4、特点，应用广泛。简单和寿命长等特点，应用广泛。反应式步进电机结构反应式步进电机结构典型结构：典型结构：三相（六级）步进电机三相（六级）步进电机（与交流电机绕法（与交流电机绕法和原理不同）和原理不同） UVW定子定子转子转子AANNSSBB混合式步进电机AA， BB剖面 定子上线圈的绕法定子上线圈的绕法A相A相B相B相C相C相 转子转子 （4040齿）齿） 相数：相数：独立绕组数。三、四、五、六等相数。独立绕组数。三、四、五、六等相数。同相的两个绕组可以串联，也可以并联同相的两个绕组可以串联，也可以并联 磁极数：磁极数：2倍相数倍相数 齿距角齿距角 r：转子相邻两齿轴线之间的夹角转子相邻两齿轴线

5、之间的夹角 四齿：四齿：900 步距角步距角 s：输入一个脉冲时转子转过的角度输入一个脉冲时转子转过的角度步进电机相关定义与术语步进电机相关定义与术语1、单三拍运行方式、单三拍运行方式 2、双三拍运行方式、双三拍运行方式3、单、双六拍运行方式、单、双六拍运行方式二二.反应式步进电动机的工作原理反应式步进电动机的工作原理 “单单”指每次只能一相绕组通电，指每次只能一相绕组通电，“三拍三拍”指通电指通电3次完成一个通电循环。次完成一个通电循环。如下：如下：ABCIAIBIC定子内圆周定子内圆周均匀分布着六个均匀分布着六个磁极，磁极上有磁极，磁极上有励磁绕组，每两励磁绕组，每两个相对的绕组组个相对的

6、绕组组成一相。采用成一相。采用Y连接，转子有四连接，转子有四个齿。个齿。定子定子转子转子由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。矩，使转子转动。现以现以A B C A的通电顺序，使三相绕组的通电顺序，使三相绕组轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。BCIAIBIC1.单三拍运行方式单三拍运行方式 CABBCA3412A相绕组通电，相绕组通电，B、C相相不通电。气隙产生以不通电。气隙产生以A-AA-A为轴线为轴线的磁

7、场，而磁力线总是力图从的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：到左图所示位置：1、3齿与齿与A、A极对齐。极对齐。CABBCA3412同理，同理，B相通电时，转子会转过相通电时，转子会转过30 角，角，2、4齿和齿和B、B 磁极轴线对齐；当磁极轴线对齐；当C相通电时，转子相通电时，转子再转过再转过30 角，角，1、3齿和齿和C 、C磁极轴线对齐。磁极轴线对齐。1C342CABBA这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为这种工作方式下，三个绕

8、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，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。所以称为三相单三拍工作方式。按按AB C A 的顺序给三相绕组的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过过30( (步距角步距角) )，每个通电循环周期，每个通电循环周期( (3拍拍) )磁场在磁场在空间旋转了空间旋转了360而转子而转子转过转过90( (一个齿距角一个齿距角) )。 三相绕组中每次只有一相通电、一个循环三相绕组中每次只有一相通电、一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。周期共包括三

9、个脉冲，所以称三相单三拍。（1）一个电脉冲，转子转过）一个电脉冲，转子转过 30 即步距角即步距角 S= 30 （2）转速取决于三相绕组的脉冲频率转速取决于三相绕组的脉冲频率 角度取决于脉冲个数角度取决于脉冲个数 方向取决于三相通电次序方向取决于三相通电次序单三拍工作方式特点单三拍工作方式特点 （3）易使转子在平衡位置来回摆动，产生振荡）易使转子在平衡位置来回摆动，产生振荡 按按AB BC CA的顺序给三相绕组轮的顺序给三相绕组轮流通流通 电。每拍有两相绕组同时通电电。每拍有两相绕组同时通电。AB通电通电CABBCA3412BC通电通电3412CABBCACA通电通电CABBCA3412 与单

10、三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循循环周期也分为三拍。每拍转子转过环周期也分为三拍。每拍转子转过30 ( (步距角步距角) )，一一个通电循环周期个通电循环周期( (3拍拍) )转子转过转子转过90 ( (齿距角齿距角) )。（1）一个电脉冲，转子转过）一个电脉冲，转子转过 30 即步距角即步距角 S= 30 （2）转速取决于三相绕组的脉冲频率转速取决于三相绕组的脉冲频率 角度取决于脉冲个数角度取决于脉冲个数 方向取决于三相通电次序方向取决于三相通电次序双三拍工作方式特点双三拍工作方式特点 （3）两相的磁极对转于齿都有吸引力）两相的磁极对转于齿都有吸引力

11、,转子转子转到相应位置后达到力矩平衡转到相应位置后达到力矩平衡,有效避免有效避免“失步失步”。 按按AAB B BC C CA的顺序给的顺序给三相绕组轮流通电。三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更这种方式可以获得更精确的控制特性。精确的控制特性。CABBCA3412CABBCA3412 A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿与齿与A、A 对齐。对齐。 A、B相同时通电，相同时通电，A、A 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，齿，转子转转子转过过15 ，到达左图到达左图所示位置。所示位置。CABBCA3412 B B 相通电，相通电，转子转子2、4齿与齿与B、B

12、对齐对齐, ,又转又转过过15 。3412CABBCA B、C相同时通电，相同时通电，C 、C 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，转子再转齿，转子再转过过15 。 三相反应式步进电动机的一个通电循环周三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：期如下：AAB B BC C CA，每个循每个循环周期分为六拍。每拍转子转过环周期分为六拍。每拍转子转过15 （步距角），（步距角），一一个通电循环周期个通电循环周期( (6拍拍) )转子转过转子转过90 ( (齿距角齿距角) )。 与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确

13、定位的控制系统中。小，更适用于需要精确定位的控制系统中。单、双六拍运行方式特点单、双六拍运行方式特点 六拍即完成一个循环，磁场在空间旋转六拍即完成一个循环，磁场在空间旋转了了360，转子仍只转了，转子仍只转了1个齿距角个齿距角 步距角却因拍数增加步距角却因拍数增加1倍而减小到齿距倍而减小到齿距角的角的1/6， 即即 S= 15。各种工作方式特点归纳各种工作方式特点归纳（1 1）拍数为）拍数为N N，相数为，相数为m m 时时若单拍运行，则拍数若单拍运行，则拍数N=m；若单双拍运行，则若单双拍运行，则N=2m。（2 2）经过一个通电循环，转子转过）经过一个通电循环，转子转过1 1个齿。个齿。 电

14、机转速（）：电机转速（）：60rfnZ N从以上对步进电机三种驱动方式的分析可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：得步距角计算公式：mZr360 步距角步距角Zr 转子齿数转子齿数m 每个通电循环周期的拍数每个通电循环周期的拍数 实用步进电机的步距角多为实用步进电机的步距角多为3 和和1.5 。为了。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的。获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的。图中转子表面有图中转子表面有4040个齿，个齿， l齿距（Z转子齿数） l步距角（K状态系数，三拍时，三拍时，K=1；六拍时，；六拍时，K2）例如：Z40，三相单三拍运行，则 由此可见，由

15、此可见，转子齿数Z（或定子相数m，或运行拍数Km），则 ，控制越精确。 l转速注：注：Z360ZKm360拍数3403360 HzHzradrpmfKmZfn60602)(KmZKmZ2360实际的步进电机实际的步进电机步距角步距角3030太大，必须减小：太大，必须减小： 增加相数，即增加拍数增加相数，即增加拍数 （相数越多，驱动电源就越（相数越多，驱动电源就越复杂，常用的相数复杂，常用的相数m为为2、3、4、5、6，不能再增加），不能再增加） 增加转子的齿数（常用）增加转子的齿数（常用）Sr360Z N典型结构如图典型结构如图40个齿个齿 步进电机的带电定位步进电机的带电定位 停车时，转子不

16、再受到定子磁场的作用力，停车时，转子不再受到定子磁场的作用力，转子将因惯性而可能继续转过某一角度，转子将因惯性而可能继续转过某一角度，因此必须解决停车时的转子定位问题因此必须解决停车时的转子定位问题 反应式步进电动机一般是在最后一个脉冲反应式步进电动机一般是在最后一个脉冲停止时，在该绕组中继续通以直流电，即停止时，在该绕组中继续通以直流电，即采用带电定位的方法。采用带电定位的方法。 永磁式步进电动机因转子本身有磁性，可永磁式步进电动机因转子本身有磁性，可以实现自动定位，不需采用带电定位的方以实现自动定位，不需采用带电定位的方法。法。 角位移量与输入脉冲数成正比，不受电压及角位移量与输入脉冲数成

17、正比，不受电压及环境温度的影响，也没有累积的定位误差环境温度的影响，也没有累积的定位误差 转速与输入的脉冲频率成正比，控制输入的转速与输入的脉冲频率成正比，控制输入的脉冲频率就能准确地控制步进电动机的转速，脉冲频率就能准确地控制步进电动机的转速，可以在宽广的范围内精确地调速。可以在宽广的范围内精确地调速。三三. 步进电动机的特点、应用与选择步进电动机的特点、应用与选择特点特点：应用应用： 广泛用用于计算机广泛用用于计算机数字控制数字控制系统中和数控系统中和数控机床、自动化设备等。机床、自动化设备等。 选用步进电动机时要根据在系统中的实际选用步进电动机时要根据在系统中的实际工作情综台考虑步距角、

18、转矩、频率以及工作情综台考虑步距角、转矩、频率以及精度是否能满足系统的要求。精度是否能满足系统的要求。步进电机的选择步进电机的选择步进电动机不改变通电的状态称为静态运行状态静态运行状态。静态运行状态下步进电动机的转矩与转角特性，简称矩角特矩角特性性T = f()T = f()，是步进电动机的基本特性。步进电动机的转矩就是同步转矩（即电磁转矩），转角就是通电相的定、转子齿中心线间用电角度表示的夹角，如图所示。可见可见转矩T随转角作周期变化，变化周期是一个齿距，即2电弧度。定转子间作用力 实践经验证明实践经验证明:反应式步进电动机的转角特性接近正弦曲线，如图反应步进电动机的矩角特性。在在= 0=

19、0处处，转子处于稳定平衡位置,即通电相定、转子齿对齐位置。因为当转子处于这个位置时，如有外力使转子齿偏离这个位置，只要偏离角在在0 0180180的范围内的范围内，除去外力，转子能自动地重新回到原来位置。= = 这个位置是不稳定的，两个不稳定点之间的区域构成静态稳定区。电磁转矩的最大值称为最大静态转矩最大静态转矩T Tmaxmax，它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。1) 矩角特性矩角特性 静止时若有外部转矩作用于转轴上，迫使转静止时若有外部转矩作用于转轴上，迫使转子离开初始平衡位置而偏转，转子偏离初始子离开初始平衡位置而偏转，转子偏离初始平衡位置的电角度称为失

20、调角平衡位置的电角度称为失调角 转子会产生反应转矩，也称静态转矩转子会产生反应转矩，也称静态转矩 T = -k I 2 sin2) 最大静转矩：最大静转矩： 为为90度时度时 T = -kI2 步进电动机的步进运行状态步进电动机的步进运行状态与控制脉冲的频率有关。当步进电动机在极低的频率下运行时，后一个脉冲到来之前，转子已完成一步，并且运动已基本停止，这时电动机的运行状态由一个个单步运行状态所组成。步进电动机的单步运行状态为一振振荡过程荡过程。如图 步进电动机在连续运行状态时产生的转矩称为动态转矩动态转矩。步进电动机的最大动态转矩将小于最大静态转矩，并随着脉冲频率的升高而降低。频率很高，周期很

21、短，电流来不及增长，显然，动态转矩也减小了。步进电动机的动态转矩与频率的关系，即所谓矩频特性矩频特性，是一条下降的曲线，如图所示，这也是步进电动机重要特性之一。步进电动机转子振动过程步进电动机的矩频特性 1) 动稳定区：步进电动机从一个稳定状态动稳定区：步进电动机从一个稳定状态切换到另一稳定状态而不失步的区域。切换到另一稳定状态而不失步的区域。 2) 起动转矩：负载转矩大于最大起动转矩起动转矩：负载转矩大于最大起动转矩时，步进电动机将不能起动。时，步进电动机将不能起动。 3) 起动频率（希望尽量大）起动频率（希望尽量大） 4) 矩频特性（转矩随频率的增大而减小）矩频特性（转矩随频率的增大而减小）2. 反应式步进电动机的反应式步进电动机的动动特性特性 步距角（步距角（）及步距误差）及步距误差v 步距角越小步距角越小, ,控制越精确。控制越精确。v 步距误差直接影响执行部件的定位精度步距误差直接影响执行部件的定位精度. . 最高启动频率最高启动频率v 最高启动频率与步进电机的惯性负载有关最高启动频率与步进电机的惯性负载有关. . 最高工作