《特种电机及其控制》

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第3章步进电动机及其控制

SteppingMotors特种电机及其控制1

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3.1步进电动机的结构与工作原理步进电机是利用电磁铁原理，机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。动一小段距离。给一个脉冲，特点：(1)给一个脉冲，转一个步距角。给一个脉冲转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率(3)改变脉冲顺序，改变转动方向。改变脉冲顺序，改变转动方向。改变脉冲顺序

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步进电动机的种类：寻常按励磁方式分为三大类：寻常按励磁方式分为三大类：1)反应式：转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小反应式：转子为软磁材料，无绕组，齿、步距小。应用最广。步距小。应用最广。2)永磁式：转子为永磁材料，转子的极数=每相定子永磁式：转子为永磁材料，转子的极数=极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大极数，不开小齿，步距角较大，3)感应子式(混合式):转子为永磁式、两段，开小感应子式(混合式)转子为永磁式、两段，齿，混合反应式与永磁式优点：转矩大、动态性能好混合反应式与永磁式优点：转矩大、、步距角小。但结构繁杂，成本较高。步距角小。但结构繁杂，成本较高。以反应式为例说明步进电机的结构和原理特种电机及其控制3

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3.1.1步进电动机结构特点1)定转子开小齿2)定转子均为软磁材料3)小步距

反应式步进电机特种电机及其控制4

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步进电机主要由两部分构成：定子和转子。步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极。

定子绕组定子转子

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IA

A定子

转子

C

IC

IB

B

定子的六个磁极上有控制绕组，定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。成一相。注意：这里的相和三相交流电中的“注意：这里的相和三相交流电中的“相〞的概念不步进机通的是直流电脉冲，同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线路的联接和组数的区别。联接和组数的区别。特种电机及其控制6

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永磁式步进电机结构特点1)转子磁极为永磁材料2)定子每极相数等于转子极数不开小齿，3)不开小齿，大步矩、大步矩、大力矩特种电机及其控制7

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混合式步进电机(Hybrid)结构混合式步进电机(Hybrid)结构(Hybrid)

特点：转

子永磁、两极，定转子均开小齿，特点：转子永磁、两极，定转子均开小齿，混合二者优点。者优点。特种电机及其控制8

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3.1.2工作方式三相步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等三相单双六拍、三相双三拍等。

一、三相单三拍(1)三相绕组联接方式：Y型三相绕组联接方式：(2)三相绕组中的通电顺序为：三相绕组中的通电顺序为：A相→B相→C相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为：A相→C相→B相特种电机及其控制9

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(3)工作过程)AB'4123A'

A相通电，A方向的磁相通电，C'B

通经转子形成闭合回路。通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，原有一定角度，则在磁场的作用下，场的作用下，转子被磁

C

化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁吸引转子，路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐中止转动。路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐中止转动。

A相通电使转子1、3齿和AA'对齐。相通电使转子1对齐。特种电机及其控制10

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AB'

AC'BB'

C'BA'

CA'

C

B相通电，转子2、4齿相通电，转子、齿相通电相轴线对齐，和B相轴线对齐，相对相轴线对齐A相通电位置转;相通电位置转30相通电位置转特种电机及其控制

C相通电再转相通电再转30相通电再转

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这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。单三拍。三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：(1)每来一个电脉冲，转子转过30。此角称为)每来一个电脉冲，步距角，表示。步距角，用θS表示。(2)转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，)转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。改变通电顺序即可改变转向。

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二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA→A共六拍。→→→→→→共六拍。工作过程：工作过程：AB'4123A'

C'B

C

A相通电，转子1、3齿和A相对齐。相通电，转子1相对齐。相通电齿和相对齐特种电机及其控制13

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A、B一致时通电、一致时通电AB'

C'BA'

C

(1)BB'磁场对2、4齿有磁拉力，该拉力使)、齿有磁拉力，转子顺时针方向转动。转子顺时针方向转动。磁场继续对1、齿有拉力齿有拉力。(2)AA'磁场继续对

、3齿有拉力。)所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA'通电，转子转了15通电，转子转了。特种电机及其控制14

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B相通电，转子2、4齿和相对齐，又转了。相通电，转子、齿和相对齐，又转了15齿和B相对齐相通电

AB'

C'BA'

C

总之，每个循环周期，有六种通电状态，总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15为三相六拍，步距角为。特种电机及其控制15

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三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为：AB→BC→CA→AB共三拍。共三拍。AB'

AC'BB'

C'BA'

CA'

C

AB通电通电特种电机及其控制

BC通电通电16

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AB'

C'BA'

C

工作方式为三相双三拍时，拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30,即θS=30。

CA通电通电

以上三种工作方式，以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。特种电机及其控制17

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3.1.3小步距角的步进电动机实际采用的步进电机的步距角多为3度和实际采用的步进电机的步距角多为度和1.5度和步距角越小，机加工的精度越高。度，步距角越小，机加工的精度越高。

为产生小步距角，为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，转子都做成多齿的，图中转子40个齿个齿，个磁极，图中转子个齿，定子仍是6个磁极，但每个磁个磁极极