步进电机课件

§11.3步进电动机

步进电动机（脉冲电动机）--将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移的电机，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步，角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，转向与各相绕组的通电方式有关。

特点：在负载能力范围内不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化；适用开环系统中作执行元件，使控制系统大为简化；步进电动机可在很宽的范围内通过改变脉冲频率调速；能够快速启动、反转和制动。很适合微型机控制，是数字控制系统中的一种执行元件。2023/3/231

应用：数控机床、绘图机、轧钢机、记录仪等方面。

基本要求：(1)能迅速启动、正反转、停转，在很宽的范围内调速；(2)要求一个脉冲对应的位移量小，步距小精度高，不得丢步或越步；(3)输出转矩大，直接带负载。分类：按励磁方式分为反应式、永磁式和感应子式。反应式步进电动机用得多，结构简单，故着重讲述。

2023/3/232一、工作原理和特点

1、结构

定子铁心由硅钢片叠成，定子有8个磁极(大齿)，磁极上有小齿。有4套定子控制绕组，绕在径向相对的磁极上的绕组为一相。转子由叠片铁心构成，沿圆周有很多小齿。定子磁极和转子上小齿的齿距必须相等。四相反应式步进电动机2023/3/233

当A相通电B、C相不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐。同理断开A接通B时、断开B接通C转子转过30°。按A→B→C→A…接通和断开控制绕组转子就连续转动。转速取决于控制绕组通、断电的频率，转向取决于通电的顺序。三相单三拍运行2023/3/235

②三相六拍运行

供电方式是A→AB→B→BC→C→CA→A……，共有6种通电状态，每一循环换接6次，这6种通电状态中有时只有一相绕组通电(如A相)即单拍，有时有两相绕组同时通电(如A相和B相)即双拍，故称三相单、双六拍。图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。2023/3/236三相六拍运行(1)(a)A相通电；(b)A、B相通电；2023/3/237③三相双三拍运行

通电方式AB→BC→CA→AB‥，转过30°。④四相步进电机四相八拍--通电方式A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A……，与三相步进电动机道理一样，当A相通电转到A、B两相同时通电时，定、转子齿的相对位置变为转子按顺时针方向只转过1/8齿距角，即0.9°。四相双四拍--通电方式AB-BC-CD-DA-AB……步距角与四相单四拍运行时一样为1/4齿距角，即1.8°。

2023/3/239A相通电时定、转子齿的相对位置A、B两相通电时定、转子齿的相对位置2023/3/23103、基本特点

(1)

步进电动机工作时，每相绕组由专门驱动电源通过“环形分配器”按一定规律轮流通电。如三相双三拍运行的环形分配器输入是一路，输出有A、B、C三路。若开始是A、B这两路有电压，输入一个控制脉冲后就变成B、C这两路有电压，再输入一个脉冲变成C、A这两路有电压，再输入一个电脉冲变成A、B这两路有电压了。环形分配器输出的各路脉冲电压信号，经过各自的放大器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动。2023/3/2311(2)步距角--每输入一个脉冲电信号转子转过的角度，用θb表示。当电机按四相单四拍运行--A-B-C-D-A……顺序通电时，换接一次绕组，转子转过的角度为1/4齿距角；转子需要走4步，才转过一个齿距角。当四相八拍运行--A-AB-B-BC-C-CD-D-DA……顺序通电时，换接一次绕组，转子转过的角度为1/8齿距角；转子需要走8步才转过一个齿距角。齿距角--转子相邻两齿间的夹角，用θt表示。ZR为转子齿数，N为运行拍数2023/3/2313

提高工作精度就要求步距角很小。要减小步距角可以增加拍数N；增加相数电源及电机的结构也越复杂。反应式步进电动机一般做到六相，个别也有八相或更多；一台步进电动机有两个步距角，如1.5°/0.75°、1.2°/0.6°、3°/1.5°等。增加转子齿数ZR，步距角也可减小，所以反应式步进电动机的转子齿数一般是很多；通常反应式步进电动机的步距角为零点几度到几度。2023/3/2314(3)步进电动机可按指令进行角度控制和速度控制。角度控制---每输入一个脉冲，定子绕组就换接一次，输出轴就转过一个角度，输出轴转动的角位移量与输入脉冲数成正比。速度控制---送入步进电动机的是连续脉冲，各相绕组不断地轮流通电，步进电机连续运转，它的转速与脉冲频率成正比。每输入一个脉冲，转子转过的角度是整个圆周角的1/(ZRN)，因此每分钟转子所转过的圆周数，即转速为：

f为控制脉冲的频率，转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。

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二、运行特性

1、矩角特性和静态转矩

当控制脉冲不断送入各相绕组按一定程序轮流通电，步进电动机转子就一步步地转动。当控制脉冲停止时，如某些相绕组仍通入恒定不变的电流，转子将固定于某位置保持不动，称为静止状态。此时即使有一个小的扰动使转子偏离此位置，磁拉力也能把转子拉回来。对于多相步进电动机，定子控制绕组可以是一相通电，也可以是几相同时通电，下面分别进行讨论。2023/3/2317①单相通电时

单相通电时，通电相极下的齿产生转矩，这些齿与转子齿的相对位置及所产生的转矩都是相同的，故可以用一对定、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相极下各个定子齿所产生的转矩之和。失调角θe

---定子齿轴线与转子齿轴线之间的夹角θe表示为电角度。齿距角θt---一个齿距对应的电角度则θte=2π。2023/3/2318定、转子间的作用力稳定平衡---当θe=0转子齿轴线和定子齿轴线重合，T=0。位置静态转矩---转子偏离转过某一角度时，定、转子齿之间的吸力有了切向分量，而形成转矩T。2023/3/2319②多相通电时

多相通电时的矩角特性近似地由每相各自通电时的矩角特性叠加起来求出。以三相步进电机为例。当A、B两相同时通电时合成矩角特性应为两者相加，即

TAB=TA+TB=-Tjmaxsinθe-Tjmaxsin(θe-120°)=-Tjmaxsin(θe-60°)是条与A相矩角特性相距120°(即θte/3)的正弦曲线。2023/3/2321三相步进电动机两相通电时的转矩

(a)矩角特性；(b)转矩向量图2023/3/23222、单步运行状态

指步进电动机仅改变一次通电状态时的运行方式，或输入脉冲频率非常之低，加第二脉冲之前前一步已经走完的运行状态。

①空载运行通电顺序为A→B→C→A，转子停在θe=0的位置上，如果此时送入一个控制脉冲，切换为B相绕组通电，矩角特性就移动一个步距角θeb(等于120°)，跃变为曲线B，θe=120°就成为新的平衡位置。2023/3/2323②负载运行

当电机带恒定负载TL时若A相通电，转子将停留在失调角为θea的位置上，当θe=θea时，电磁转矩TA(对应a点的转矩)与负载转矩TL相等，转子处于平衡。送入控制脉冲转换到B相通电，则转子所受的有效转矩为电磁转矩TB与负载转矩TL之差，即图上的阴影部分。转子在此转矩的作用下转过一个步距角120°，由θe=θea转到新的平衡位置θe=θeb。这样当绕组不断地换接时，电机也不断地作步进运动，步距角仍为120°电角度。2023/3/2325负载时步进电动机的单步运行2023/3/23263、连续脉冲运行

外加脉冲频率的提高，步进电动机进入连续转动状态。在运行过程中具有良好的动态性能是保证控制系统可靠工作的前提。如步进电动机经常启动、制动、正转、反转等，并在各种频率下(各种转速)运行，要求电机的步数与脉冲数严格相等，即不丢步也不越步，且转子运动平稳。保证系统精度。此外，当提高使用频率时，步进电机的快速性也是动态性能的重要内容之一。所以有必要对步进电动机的动态特性作一定的分析。2023/3/2329

矩频特性---电机连续转动时所产生的最大输出转矩T与f两者间的关系。当控制脉冲频率增加，电机转速升高时，步进电动机所能带动的最大负载转矩值将逐步下降。主要原因是定子绕组电感的影响。因步进电机每相绕组是线圈，而电感有延缓电流变化的特性。①运行矩频特性2023/3/2330三、步进电机的驱动

1、驱动电源

专门的驱动电源和步进电动机是一个有机整体，步进电动机的运行性能是电动机及其驱动电源二者配合的综合表现。驱动电源方框图2023/3/2331

变频信号源是一个频率从数十赫兹到几万赫兹左右的连续可变的脉冲信号发生器。

脉冲分配器是由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路，它根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大器上，使步进电动机按一定的运行方式运转。

功率放大电路用放大后的信号去驱动步进电动机。环形分配器输出的电流只有几毫安，一般步进电动机需要几个到几十个安培的电流。功放电路种类很多，它们对电机性能的影响也各不相同。通常驱动电源就以功率放大器的型式进行分类。2023/3/23322、驱动电路单极性驱动：是一个频率从数十赫兹到几万赫兹左右的连续可变的脉冲信号发生器。双极性驱动：驱动电路采用H桥结构，效率高特别适合大功率步进电机（1KW）。高低压驱动：开通和关断时用高电压，缩短电流上升和下降的时间；导通器件采用低电压维持绕组电流。斩波恒流驱动：采用比较器，使相绕组上的电流基本为一恒定值。2023/3/2333细分控制：步距角再细分至几十甚至百倍，提高进度和运行平稳性。

方法是增加多相绕组同时导电的时间，同时控制各项绕组中电流的大小（一般为阶梯波），不同空间位置的不同合成磁势，转的步距变小。可采用微处理器斩波恒流细分驱动电路。2023/3/2334

四、主要性能指标1.最大静转矩Tjmax---指步进电动机在规定的通电相数下矩角特性上的转矩最大值。绕组电流越大，最大静转矩也越大，通常取负载转矩为：TL=(0.3~0.5)Tjmax2.步距角θb---每输入一个电脉冲信号时转子转过的角度。步距角大小会直接影响步进电动机的启动和运行频率。步距角小的往往启动及运行频率高，但转速和输出功率不一定高。

3.静态步距角误差Δθb---实际的步距角与理论的步距角之间的差值，通常用理论步距角的百分数或绝对值来衡量。静态步距角误差小，表示电机精度高。2023/3/23354.启动频率fq和启动矩频特性

启动频率---指步进电动机能够不失步启动的最高脉冲频率，产品目录一般都有空载启动频率数据。但实际大都要带负载启动。负载启动频率与负载转矩及惯量的大小有关。启动矩频特性---在一定的负载惯量下，启动频率随负载转矩变化的特性，通常以表格或曲线形式给出。5.运行频率和运行矩频特性

运行频率---步进电动机启动后，控制脉冲频率连续上升而维持不失步的最高频率。运行矩频特性---电机带负载运行时，频率连续上升而维持不失步的频率与负载转矩两者的关系，技术数据通常是以表格或曲线形式表示。2023/3/23366.额定电流---电机不动时每相绕组容许通过的电流。当电机运转时，每相绕组通的是脉冲电流，电流表指示的读数为脉冲电流平均值。7.额定电压---指加在驱动电源各相主回路的直流电压。一般不等于加在绕组两端的电压。国标规定步进电动机的额定电压为：单一电压型电源6、12、27、48、60、80(V)，高低压切换型电源

60/12、80/12(V)。2023/3/2337思考题与习题1.如何控制步进电动机输出的角位移或线位移量，转速或线速度?步进电机有哪些可贵的特点?2.反应式步进电机与永磁式及感应子式步进电机在作用原理方面有什