第三章 步进电动机new

1、23p第一第一节节 概述概述p第二节第二节 磁阻式磁阻式步进电机的工作原理步进电机的工作原理p第三节磁阻式第三节磁阻式步进电机的静、动态特性步进电机的静、动态特性p第四节第四节混合式混合式步进电机步进电机p第五节第五节 步进电机驱动电路步进电机驱动电路p第六节第六节 步进电机的选择步进电机的选择本章重点：磁阻式步进电机的工作原理本章重点：磁阻式步进电机的工作原理本章难点：步进电机本章难点：步进电机的动态特性的动态特性45678定子定子: :铁心铁心, ,绕组绕组转子转子: :铁心铁心磁阻变化产生磁阻转矩磁阻变化产生磁阻转矩使其转动使其转动. .步进电机可分三种：磁阻步进电机可分三种：磁阻式（式

2、（VRVR），永磁式（），永磁式（PMPM）和混合式（和混合式（HBHB）。）。9定子定子: :铁心铁心, ,绕组绕组转子转子: :永久磁铁永久磁铁, ,多对极多对极( (与定子磁与定子磁极对应极对应),),极宽极宽相相同。同。1011121314151617p 磁阻磁阻式式四相八极，转子四相八极，转子5050个齿，转子个齿，转子齿齿距角距角tt=360=360/Zr/Zr = 360= 360/50=7.2/50=7.2。 p 定子定子极距极距= = ZrZr/8=6/8=61/41/4齿齿, ,相邻磁极错开相邻磁极错开1/41/4齿。齿。18对于步距角的表示通常有两种方式：对于步距角的表示

3、通常有两种方式：(1)(1)用电角度：用电角度：S S=2/N =2/N 例如：三例如：三拍式拍式: :S S= 2/3= 2/3， 六六拍式拍式：S S= 2/6= /3= 2/6= /3(2)(2)实际应用中，往往用机械角度来表示：实际应用中，往往用机械角度来表示：NZrs36019这样，这样，步进电动机转速为：步进电动机转速为：)min(6036060rNZfsfnr其中，每个定子磁极下的转子齿数为：其中，每个定子磁极下的转子齿数为：mKmpZr1220式中式中m m为相数，为相数，2p2p为一相绕组通电时在气隙圆围为一相绕组通电时在气隙圆围上形成的磁极数，上形成的磁极数，K K为正整数

4、。那么转子总的为正整数。那么转子总的齿齿数为。数为。)1(2mKmpZr216060800240)504rfnrpmZ N（2223 24 Tsm 稳定平衡点 - 静稳定区252627通电通电时，转子每旋转一步最后停留的位置必须在时，转子每旋转一步最后停留的位置必须在动稳定区内，即：静、动稳定区必须有所重叠，且动稳定区内，即：静、动稳定区必须有所重叠，且从稳定性的角度来看，重叠区间越大越好，下一步从稳定性的角度来看，重叠区间越大越好，下一步就可继续沿着原来的旋转方向就可继续沿着原来的旋转方向转动。转动。282930当当脉冲的脉冲的频率频率f f增高增高，前一个脉冲还未结束，下，前一个脉冲还未结

5、束，下一个脉冲已经到来，此时，步进电动机已经不是一个脉冲已经到来，此时，步进电动机已经不是一步一步地转动，而是呈连续运转状态，脉冲频一步一步地转动，而是呈连续运转状态，脉冲频率升高，电机转速增加。我们同样可以作出相应率升高，电机转速增加。我们同样可以作出相应的矩频特性（步进电机的平均转矩与驱动电源脉的矩频特性（步进电机的平均转矩与驱动电源脉冲频率的关系叫做冲频率的关系叫做矩矩频频特性特性）。）。31 T f注意：电机绕组是一电注意：电机绕组是一电感线圈，具有阻碍电流感线圈，具有阻碍电流变化的能力，使得控制变化的能力，使得控制绕组的电流来不及上升绕组的电流来不及上升到稳态值。频率越高，到稳态值。

6、频率越高，电流上升到达的数值也电流上升到达的数值也就越小，因而电机的电就越小，因而电机的电磁转矩也越小。电机的磁转矩也越小。电机的带载能力就有所下降！带载能力就有所下降！32相数：产生不同对极相数：产生不同对极N N、S S磁场的激磁线圈对数。常用磁场的激磁线圈对数。常用m m表示。表示。定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量

7、电机体积动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。无关。33步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差值的误差。用百分比表示：误差/ /步距角步距角100%100%。不同运行拍。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在数其值不同，四拍运行时应在5%5%之内，八拍运行时应之内，八拍运行时应在在1.5%1.5%以内。以内。失步：若步进电机动态转矩小于负载转矩，使电机停止转失步：若步进电机动态转矩小于负载转矩，使电机停止转动，

8、则电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数动，则电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数, , 称之称之为为失步失步。失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的决的。3435363738AB394041使用使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图组成的控制系统，其方框图如下：如下：一一 驱动控制系统：驱动控制系统：42一一 驱动控制系统：驱动控制系统：43一一 驱

9、动控制系统：驱动控制系统：44一一 驱动控制系统：驱动控制系统：45一一 驱动控制系统：驱动控制系统：46一一 驱动控制系统：驱动控制系统：47：是通：是通过改变相邻（过改变相邻（A A，B B）电）电流的大小，即流的大小，即相和相和相绕组中的电流相绕组中的电流的比例的比例，以改变合成磁场的夹角，以改变合成磁场的夹角，电机旋转的位置随之变电机旋转的位置随之变化，化，来控制步进电机运来控制步进电机运转转的。的。一一 驱动控制系统：驱动控制系统：48（一）四海电机电器厂（一）四海电机电器厂SHSH系列二相恒流斩波驱动电源与单系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下：片机及电机接线图如下：二

10、、实际例子：二、实际例子：49（二）德国百格拉公司（二）德国百格拉公司BERGER LAHRBERGER LAHR三相混合式步进电机三相混合式步进电机百百格拉三相混合式步进电机系统把交流伺服原理应用格拉三相混合式步进电机系统把交流伺服原理应用到步进电机系统中，该步进电机吸取五相电机的优点，到步进电机系统中，该步进电机吸取五相电机的优点，与其配套的驱动器采用了交流伺服电机驱动器工作方式与其配套的驱动器采用了交流伺服电机驱动器工作方式。百百格拉三相混合式步进电机驱动器如图格拉三相混合式步进电机驱动器如图二、实际例子：二、实际例子：50PULSE/CW+PULSE/CW-DIR/CCW+DIR/CC

11、W-RESET+RESET-READYREADYRDYTEMPFLTMOT.CURRSTEP1STEP2CURR.REDPULSE.SYSDC+DC-UVWPELNPEWD3-007信号接口：PULSE+电机输入控制脉冲信号；DIR+电机转动方向控制信号；RESET+复位信号，用于封锁输入信号；READY+报警信号；PULSE-、DIR-、RESET-和READY-短接为公共地；状态指示：RDY灯亮表示驱动器正常工作；TEMP灯亮表示驱动器超温；FLT灯亮表示驱动器故障；功能选择：MOT.CURR设置电机相电流；STEP1、STEP2设置电机每转的步数；PULSE.SYS可设置成“脉冲和方向”

12、控制方式；也可设置成“正转和反转”控制方式；CURR.RED用于设置半流功能；功率接口：DC+和DC-接制动电容 （用户使用时请与代理商联系）；U、V、W接电机动力线，PE是地；L、N接供电电源；51nPULSE:PULSE:脉冲信号输入端，每一个脉冲的上升沿使电机转动一步。脉冲信号输入端，每一个脉冲的上升沿使电机转动一步。nDIR:DIR:方向信号输入端，如方向信号输入端，如“DIR”DIR”为低电平，电机按顺时针方向旋为低电平，电机按顺时针方向旋转；转；“DIR”DIR”为高电平电机按逆时针方向旋转。为高电平电机按逆时针方向旋转。nCW:CW:正转信号，每个脉冲使电机正向转动一步。正转信号

13、，每个脉冲使电机正向转动一步。nCCW:CCW:反转信号，每个脉冲使电机反向转动一反转信号，每个脉冲使电机反向转动一步。步。二、实际例子：二、实际例子：nRESET:RESET:复位信号，如复位信号为低电平时复位信号，如复位信号为低电平时, ,输入脉冲信号起作用，输入脉冲信号起作用，如果复位信号为高电平时就禁止任何有效的脉冲，输入信号无效，如果复位信号为高电平时就禁止任何有效的脉冲，输入信号无效，电机无保持扭矩。电机无保持扭矩。nREADDY:READDY:输入报警信号输入报警信号,READY,READY是继电器开关，当驱动器正常工作时是继电器开关，当驱动器正常工作时继电器闭合，当驱动器工作异

14、常时继电器断开继电器闭合，当驱动器工作异常时继电器断开 521 1、步距角的选择、步距角的选择: :电机的步距角取决于负载精度的电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有电机的步距角一般有0.360.36度度/0.72/0.72度（五相电机）、度（五相电机）、0.90.9度度/1.8/1.8度（二、四相电机）、度（二、四相电机）、

15、1.51.5度度/3/3度度 （三（三相电机）等。相电机）等。步进电机可根据步距角、静转矩、及电流三大步进电机可根据步距角、静转矩、及电流三大要素，确定步进电机的型号。要素，确定步进电机的型号。532 2、静力矩的选择、静力矩的选择: :步进电机的动态力矩很难确定，步进电机的动态力矩很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。直接起动时（一般由低速）时二种负载负载二种。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速

16、运均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行只要考虑摩擦负载。通常，静力矩应为摩擦负载行只要考虑摩擦负载。通常，静力矩应为摩擦负载的的2-32-3倍内，静力矩一旦选定，电机的机座及长度倍内，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）便能确定下来（几何尺寸）543 3、电流的选择、电流的选择 静静力矩一样的电机，力矩一样的电机，由于电流参数不同，其由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考判断电机的电流（参考驱动电源驱动电源、及、及驱动电驱动电压压）。）。 55步进电机步进电机一般在较大范围内调速使用

17、、其功率是变化一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如如下：下： P= P= T, =2T, =2n/60n/60 P=2nT/60P=2nT/60 其中其中P P为功率单位为瓦，为功率单位为瓦，为角速度为角速度( (弧度弧度/ /秒秒) )，n n为转速为转速( (转转/ /秒秒) )，T T为力矩为力矩( (牛顿牛顿米米) ) P=2fT/400( P=2fT/400(半步工作）半步工作） 其中其中f f为脉冲数为脉冲数/ /秒（简称秒（简称PPS)PPS)4 4、力矩与功率换算、力矩与功率换算56575859 步

18、进电机步进电机是一种离散运动的装置，在目前国内步进电机的是一种离散运动的装置，在目前国内步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。运动控制系统中大电机也越来越多地应用于数字控制系统中。运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。对多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。对二者的使用性能作一比较。二者的使用性能作一比较。1.1.控制精度不同控制精度不同601.1.控制精度不同控制精度不同2.2.低频特性不同低频特性不同612.2.低频特性不同低频特性不同3.3.矩频特性不同矩频特性不同62p步进电机步进电机一般不具有过载能力，在选型时往往需一般不具有过载能力，在选型时往往需要选取较大转矩的电机要选取较大转矩的电机 。p交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。伺服系统为例，它具有速度过