第五章步进电动机

第5章步进电动机

5.1概述

5.2反应式步进电动机的结构和工作原理

5.3反应式步进电动机的特点

5.4反应式步进电动机的运行特性

5.5

步进电动机的其他类型

5.6

步进电动机的主要性能指标5.1概述步进电动机将输入的脉冲电信号变换为角位移或直线位移，给一个脉冲信号，电动机前进一步，因此称为步进电动机。

（1）控制系统对的基本要求在电脉冲的控制下，步进电动机能迅速起动、正反转、制动和停车，调速范围宽广；步进电动机的步距角要小，步距精度要高，不丢步不越步；工作频率高、响应速度快。（2）步进电动机的分类按其工作方式不同，可分为功率步进电动机和伺服步进电动机两类。按励磁方式的不同，步进电动机可分为反应式、永磁式和感应子式三类。5.2.1结构特点定子铁心

定子铁心为凸极结构，由硅钢片迭压而成。在面向气隙的定子铁心表面有齿距相等的小齿。图5-1四相反应式步进电动机的结构定子绕组

定子每极上套有一个集中绕组，相对两极的绕组串联构成一相。步进电动机可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。转子

转子上只有齿槽没有绕组，系统工作要求不同，转子齿数也不同。5.2反应式步进电动机的结构和工作原理5.2.2工作原理1.工作原理以四相反应式步进电动机为例。定子有八个极，相对两极的绕组串联成一相，构成四相；转子六个齿，齿宽等于定子极靴的宽度。

（a）A相通电（b）C相通电（c）B相通电（d）D相通电图5-2四相单四拍运行A相绕组通电，在磁阻转矩作用下，转子齿1和4的轴线与定子A极轴线对齐；断开A相接通C相，转子齿3和6的轴线与C极轴线对齐，转子逆时针方向转过15°；断开C相接通B相，转子又转过15°；断开B相接通D相，转子再转过15°。四相单四拍每次只接通一相绕组的四相供电方式称为四相单四拍。四相双四拍每次同时接通两相绕组，如AC→CB→BD→DA→…，也是四拍一个循环，则称为四相双四拍。双拍运行与单拍运行时步距角相同，产生的转矩一般会增加。四相八拍A→AC→C→CB→B→BD→D→DA→…。步距角变为原来的二分之一。2.运行方式拍和步距角电机通电方式变换一次，称为一拍。每一拍转子所转过的角度，称为步距角。如何使步进电动机反转？5.2.2工作原理3．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，用符号表示。步距角为c为通电状态系数，m为电机相数，Zr转子的齿数。

减小步距角，可提高控制精度。5.2.2工作原理4．转速n

若控制脉冲的频率为f，即每秒输入的脉冲数。反应式步进电动机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，与电源电压、负载、温度等因素无关。改变脉冲频率可以改变转速，故可进行无级调速。改变通电顺序，可以控制电机转向。5.2.2工作原理5.实用反应式步进电动机如何减小步距角？增加转子齿数，同时在定子极面上开槽，定、转子的齿形要相同。图5-3四相反应式步进电动机的结构转子齿数应满足5.2.2工作原理四相单四拍运行通电方式为A→C→B→D→…。A相绕组通电，转子齿轴线和定子磁极A上的齿轴线对齐；断开A相接通C相，在磁阻转矩作用下，转子顺时针方向转过四分之一齿距角（1.8°），使转子齿轴线和定子磁极C下的齿轴线对齐；…。图5-4A相通电时定、转子齿的相对位置

每换接一次绕组，转子就转过1／4齿距角。四步完成一个循环，转子转过7.2°

5.2.2工作原理四相八拍运行

通电方式为A→AC→C→CB→B→BD→D→DA→…。

A相绕组通电，转子齿轴线和定子磁极A上的齿轴线对齐；图5-5A、C两相通电时定、转子齿的相对位置A、C两相同时通电时，转子顺时针方向只转过1/8齿距角（0.9°）；…。每换接一次绕组，转子就转过1／8齿距角。

四相八拍运行时的步距角是四相四拍运行时的一半。四相双四拍运行通电方式为AC→CB→BD→DA→…。步距角与四相单四拍运行时一样为1/4齿距角，即1.8°。

5.2.2工作原理5.3工作特点1.步进电动机受脉冲控制，其转子的角位移量和转速严格地与脉冲的数量和频率成正比。改变通电顺序可以改变步进电机的旋转方向，改变频率可以改变电动机的转速。2.若用同一频率的脉冲电源控制几台步进电动机时，它们可以同步运行。3.维持步进电动机控制绕组的电流不变，电动机便停在某一位置不动。即步进电动机具有自整角的能力，不需要机械制动。4.步进电动机的步距角和转速大小不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境（温度、气压、冲击和振动）的影响。5.步进电动机有一定的步距精度，没有累积误差。6.缺点：效率低、负载能力不大、调速范围不大，最高输入频率一般不超过18KHZ规定定子、转子齿轴线重合的位置为静态空载情况下的初始稳定平衡位置。5.4反应式步进电动机的特性静止状态

当步进电动机不改变通电状态时，转子处于不动状态，称为静止状态。失调角

当电动机轴上外加一个负载转矩，使转子按一定方向转过一个角度，平衡时转子所受的电磁转矩称为静态转矩。转子偏离初始稳定平衡位置的电角度称为失调角。静态特性

在静止状态下，电磁转矩与失调角之间的函数关系，称为步进电动机的矩角特性。1.静态矩角特性5.4反应式步进电动机的特性静态转矩T是失调角的正弦函数，它的作用总是使转子位置趋向于失调角为零；在结构一定且磁路不饱和的条件下静态转矩的大小与I2成正比。图5-6矩角特性应当注意，最大静态转矩与控制绕组中电流的平方成正比，其前提条件是磁路不饱和，实际上当电流达到一定数值后，磁路开始饱和，正比关系被破坏，随I增大，增大得越来越慢。图5-7最大静态转矩与控制电流的关系5.4反应式步进电动机的特性步进电动机的起动性能用起动矩频特性、起动惯频特性和起动频率来描述。2.起动矩频特性起动矩频特性

在给定驱动电源的条件下，负载转动惯量一定时，起动频率与负载转矩的函数关系，称作起动矩频特性。图5-8起动矩频特性转动惯量一定时，随着负载的增加，其起动频率是下降的。5.4反应式步进电动机的特性3.起动惯频特性起动惯频特性

在给定驱动电源的条件下，负载转矩不变时，起动频率与负载转动惯量的函数关系，称作起动惯频特性。负载转矩不变时，随着转动惯量的增加，起动频率也是下降的。图5-9起动惯频特性5.4反应式步进电动机的特性4.起动频率电机正常起动时（不丢步、不失步）所能加的最高控制频率称为起动频率或突跳频率。起动频率与负载大小有关，因而指标分空载起动频率和负载起动频率。比低得多。例如，70BF03步进电动机，Hz，在0.1176N.m的负载下起动频率Hz。增大电动机的动态转矩；提高起动频率的措施减小转动部分的转动惯量；减小步距角。5.4反应式步进电动机的特性5.4反应式步进电动机的特性当步进电动机在输入脉冲，转子作连续的旋转运动，这种运行状态称作连续运行状态。5.动态转矩和运行矩频特性步进电动机在连续运行状态所产生的电磁转矩称为动态转矩。

运行矩频特性：步进电机连续稳定运行时，输出转矩和连续运行频率之间的关系。图5-10运行矩频特性矩频特性表明，在一定控制脉冲频率范围内，随频率升高，电机的功率和转速都相应地提高，超出该范围则随频率升高转矩下降，步进电动机带负载的能力也逐渐下降，到某一频率以后，就带不动任何负载，而且只要受到一个很小的扰动，就会振荡、失步以至停转。连续运行频率与负载的大小有关，一般分空载运行频率，和额定负载运行频率。6.连续运行频率当控制电源的脉冲频率连续提高时，在一定性质和大小的负载下，步进电动机能正常连续运行时（不丢步、不失步）所能加到的最高频率称为连续运行频率或最高跟踪频率。。例如，步进电动机70BF03，其空载运行频率，Hz额定负载运行频率为Hz。最高连续运行频率是步进电动机的重要技术指标。5.4反应式步进电动机的特性5.5步进电动机的其它类型1.多段反应式步进电动机结构

轴向磁路多段式步进电动机的结构如图5-11所示。定、转子铁心均沿电机轴向按相数分段，每一组定子铁心放置一相环形的控制绕组。定、转子圆周上冲有形状和数量相同的小齿。定子铁心（或转子铁心）每相邻两段错开1/m齿距。特点定子空间利用率较好，环形控制绕组绕制较方便；转子的惯量较低；步距角也可以做得较小，起动和运行频率较高。但是在制造时，铁心分段和错位工艺较复杂，精度不易保证。

图5-11多段式轴向磁路反应式步进电动机1-线圈；2-定子；3-转子；4-引线5.5步进电动机的其它类型结构

永磁式步进电动机定子上有两相或多相绕组，转子为一对或几对极的星形磁钢，转子的极数与定子每相的极数相同。2.永磁式步进电动机图5-12永磁式步进电动机工作原理当定子绕组按A→B→(-A)→(-B)→…轮流通直流脉冲时，转子依次转过45°，一个循环转过180°，步距角为45°。特点

步距角大；起动频率较低；控制功率小；在断电情况下有定位转矩；有强的内阻尼力矩；要求电源供给正负脉冲，使电源的变得复杂。结构两相感应子式永磁步进电动机的定子结构与单段反应式步进电动机相同，1、3、5、7极上的控制绕组串联为A相，2、4、6、8极上的控制绕组串联为B相。转子是由环形磁铁和两端铁心组成。两端转子铁心上沿外圆周开有小齿，两端铁心上的小齿彼此错过1/2齿距。定、转子齿数的配合与单段反应式步进电动机相同。3.感应子式永磁步进电动机图5-13感应子式永磁步进电动机5.5步进电动机的其它类型工作原理

转子磁钢充磁后，A端为N极，B端为S极；A相通电时，定子1、3、5、7极上的极性为N、S、N、S。定子磁极1和5上的齿在A端则与转子槽对齐，磁极3和7上的齿与A端上的转子齿对齐；B相通电时，由于B相四个极（2、4、6、8极）上的齿与转子齿都错开1/4齿距，转子前进1/4齿距；由于定子同一个极的两端极性相同，转子两端极性相反，但错开半个齿距，所以当转子偏离平衡位置时，两端作用转矩的方向是一致的。5.5.步进电动机的其它类型特点步距角小；起动和运行频率高；效率高；具有定位转矩。兼有反应式和永磁式步进电动机两者的优点。但是它需要有正、负电脉冲供电，并且在制造时比较复杂。5.5步进电动机的其它类型5.6步进电动机的主要性能指标1.最大静转矩最大静转矩是指在规定的通电相数下矩角特性上的转矩最大值。通常在技术数据中所规定的最大静转矩是指一相绕组通上额定电流时的最大转矩值。按最大静转矩的大小可把步进电动机分为伺服步进电动机和功率步进电动机。伺服步进电动机的输出转矩较小，有时需要经过液压力矩放大器或伺服功率放大系统放大后再去带动负载。而功率步进电动机可直接带动负载，使系统简化，传动精度提高。2.步距角

步距角是指输入一个电脉冲转子转过的角度。步距角的大小直接影响步进电动机的起动频率和运行频率。相同尺寸的步进电动机，步距角小的起动、运行频率较高。3.静态步距角误差静态步距角误差

是指实际步距角与理论步距角之间的差值，常用理论步距角的百分数或绝对值来表示。