第四章-第三节：步进电动机

第四章

特殊电机第三节：步进电动机

目录目录Content仪用互感器步进电动机的功能特点01步进电动机的种类及结构02步进电动机的特点及应用03步进电动机的供电电源04一、步进电动机功能特点案例3：步进电动机驱动数控机床丝杠一、步进电动机的功能特点步进电动机又称脉冲电动机，是一种将电脉冲信号转化为角位移或线位移的开环控制器件，即将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移输出。步进电动机的驱动电源由脉冲发生器、脉冲分配器、功率放大器组成，由该驱动电源向步进电动机定子绕组提供脉冲电流。如图4-16所示。当驱动电源接收到一个脉冲信号时，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度(称步进角)。它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制步进电动机的角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制步进电动机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。电脉冲信号转换成相应角位移的电动机，每当一个电脉冲加到步进电动机的控制绕组上时，它的轴就转动一定的角度，角位移量与电脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，又称为脉冲电动机。

由此可见，步进电动机与前面介绍的常用电动机的主要区别是常用电动机是连续旋转的，而步进电动机是一步一步转动的。向定子绕组供给一个电脉冲，转子就转过一个角度，如果连续输入脉冲信号，转子就像走路一样，一步接一步转过一个角度又一个角度。因此步进电动机从结构上讲就是一种感应电动机，其驱动电源将恒定的直流电变为分时供电的多相序控制电流，驱动步进电动机工作。作用：二、步进电动机的种类及结构步进电动机是电脉冲控制的电动机，目前比较常用的有感应式(可变磁阻式)步进电动机、永磁式步进电动机和混合式步进电动机。其外形如图4-17所示。永磁式磁阻式（反应式）按励磁方式分类：混磁式单相；两相；三相；多相按相数分类：二、步进电动机的种类及结构1.感应式(可变磁阻式)步进电动机感应式步进电动机的基本结构如图4-18所示。定子为三相六个绕组，转子由软铁制成十字形，按顺序控制U、W、V三组绕组中的电流就会使电动机旋转。这是由于绕组中的电流就会使定子铁芯产生磁场，这个磁场吸引转子铁芯的凸齿，按顺序控制U、W、V三组绕组先后通电，转子就会跟随一步步转动，如图4-19所示。二、步进电动机的种类及结构上述所讲的步进电动机的“三相”不同于交流电的“三相”,它只表明定子圆周上有三套独立的控制绕组，但不能同时通电。在工程技术上，从一相通电切换到另一相通电称为一拍，而三相依次通电的运行方式称为三相单三拍运行方式。为了实现步进电动机的精密控制，必须增加转子的齿数和定子磁极所对应的齿数，其结构示意图如图4-20所示。它的定子和转子均用硅钢片或其他软磁性材料制成，定子磁极数为相数的两倍，每对定子磁极上绕有一对控制绕组，被称为一相。在定子磁极极面和转子外缘开有分布均匀的小齿，两者齿形和齿距相同。如果使两者齿数恰当配合，可实现使U相磁极的小齿与转子小齿——对正，而V相磁极的小齿与转子小齿错开1/3齿距，W相则错开2/3齿距。这种结构的优点在于电动机制造简便、精确度高，每转一步所对应的转子转角(步距角)小，容易获得较高的启二、步进电动机的种类及结构二、步进电动机的种类及结构2.永磁式步进电动机永磁式步进电动机一般为两相，即定子由4个磁极构成，每个磁极上绕有一组绕组，转子则由永久磁铁制成，为圆柱形结构，如图4-21所示。当改变定子绕组中的电流和方向时，定子磁极形成的磁场与转子磁极相互吸引就能使转子旋转。永磁式步进电动机输出转矩比较大，动态性能较好，但步距角大，体积较大。3.混合式步进电动机混合式步进电动机综合了感应式步进电动机和永磁式步进电动机的优点，即出力大，步距角小，动态性能好，但结构较复杂。它又分两相及五相两种。定子转子转子齿模型结构示意图二、步进电动机的种类及结构工作原理三相磁阻式步进电动机单三拍控制时的工作原理转子齿1和3与定子U相磁级轴线对齐，转子停止转动磁力线总是通过磁阻最小的路径闭合，转子受到磁阻转矩的作用U相控制绕组通电，V、W两相控制绕组不通电二、步进电动机的种类及结构工作原理三相磁阻式步进电动机单三拍控制时的工作原理V相控制绕组通电，U、W两相控制绕组不通电磁力线总是通过磁阻最小的路径闭合，转子受到磁阻转矩的作用转子齿2和4与定子V相磁级轴线对齐，转子停止转动二、步进电动机的种类及结构工作原理三相磁阻式步进电动机单三拍控制时的工作原理转子齿1和3与定子W相磁级轴线对齐，转子停止转动磁力线总是通过磁阻最小的路径闭合，转子受到磁阻转矩的作用W相控制绕组通电，V、U两相控制绕组不通电二、步进电动机的种类及结构结论：按U－V－W－U的顺序轮流给各相控制绕组通电转子在磁阻转矩的作用下按U－V－W相序方向一步一步的转动转速:取决于绕组变换通电状态的频率，即输入脉冲的频率。旋转方向:取决于控制绕组轮流通电的顺序。二、步进电动机的种类及结构几个概念：“一拍”控制绕组从一种通电状态变换到另一种通电状态。步距角θb

每一拍转子转过的角度。三相步进电动机的控制方式三相单三拍、三相双三拍、三相单、双六拍控制方式。转子转过一个齿距需要的拍数为N

转子齿数

二、步进电动机的种类及结构三相单三拍控制方式每次只有一相控制绕组通电，切换三次为一个循环。运行不稳定，很少采用。切换瞬间，转子失去自锁能力，容易失步（即转子转动步数与拍数不相等），在平衡位置也容易产生振荡二、步进电动机的种类及结构三相单三拍控制方式每次有两相绕组同时通电，如UV－VW－WU－UV，每一循环也需要切换三次，步距角与三相单三拍控制方式相同，也为30º三相单三拍控制方式通电顺序如：U－UV－V－VW－W－WU－U，步距角只有三相单三拍和双三拍的一半，为15º在切换过程中始终保证有一相持续通电，力图使转子保持原有位置，工作比较平稳二、步进电动机的种类及结构转速：

脉冲电源的频率

为满足生产中小位移量的要求，须减小步距角，实际中转子和定子磁极都加工成多齿结构：如图Zr=40改变步距角的方法①二、步进电动机的种类及结构齿距角为9º，采用三相单三拍通电时各量的计算：采用三相六拍通电时：Zr=40的步进电动机的计算：二、步进电动机的种类及结构改变步距角的方法②增加相数也可以增加拍数从而减小步距相数增多，所需驱动电路就越复杂常用的步进电动机除了三相以外，还有四相、五相和六相。二、步进电动机的种类及结构（一）步距角目前我国步进电动机的步距角为0.36º～90º，常用的有7.5º/15º、3º/6º、1.5º/3º、0.9º/1.8º、0.75º/1.5º、0.6º/1.2º、0.36º/0.72º等几种

。主要技术指标和运行特性与Zr,定子绕组相数、通电方式有关。二、步进电动机的种类及结构4.最大静转矩

静转矩是指步进电动机处于稳定状态下的电磁转矩。在稳定状态下，如果在转子轴上加上负载转矩使转子转过一定角度θ，并能稳定下来，这时转子受到的电磁转矩与负载转矩相等，该电磁转矩即为静转矩，而角度θ即为失调角。对应于某个失调角时，静转矩最大，称为最大静转矩。

二、步进电动机的种类及结构5.矩频特性步进电动机的动态转矩和脉冲频率的关系称为矩频特性。步进电动机的动态转矩随着脉冲频率的升高而降低。

动态转矩：步进电动机的控制绕组的电脉冲时间间隔大于电机机电过渡过程所需的时间，步进电动机进入连续运行状态，这时电动机产生的转矩称为动态转矩。

二、步进电动机的种类及结构6.起动频率和连续运行频率

制动频率

起动频率

步进电动机的工作频率连续运行频率

负载转矩相同时，正、反向的起动频率和制动频率一样

二、步进电动机的种类及结构起动频率fst

一定负载转矩下能够不失步起动的最高脉冲频率。fst的大小与驱动电路和负载大小有关。步距角θb越小，负载越小，则起动频率越高。

连续运行频率f

步进电动机起动后，当控制脉冲连续上升时，能不失步运行的最高频率。负载越小，连续运行频率越高。在带动相同负载时，步进电动机的连续运行频率比起动频率高得多。

二、步进电动机的种类及结构三、步进电动机的特点及应用1.步进电动机的特点步进电动机能够将电脉冲信号变换成直线位移或角位移，其直线位移量和角位移量与电脉冲数成正比，其线速度或转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以在很大范围内调节电动机的转速；而且能够快速启动、制动和反转；如果停机后某些相绕组仍保持通电状态，还具有自锁能力。所以步进电动机具有结构简单、维护方便、精确度高、启动灵敏、停车准确等特点。不过步进电动机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。所以常用于精度要求不是特别高的场合，但如果使用恰当，有时也可以和直流伺服电动机性能相媲美。2.步进电动机的应用步进电动机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统和生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电动机不需要模数转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电动机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲电动机。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上使用，成为不可替代的执行元件。三、步进电动机的特点及应用数控机床在加工零件时，根据零件的加工要求和加工工序编制计算机程序语言，并将该程序指令输入计算机。计算机对步进电动机给出相应的控制电脉冲，控制步进电动机按照加工的要求依次做各种运动，如启动、停止、加速、减速、正转、反转等，然后步进电动机再通过传动齿轮、丝杠等带动机床运动。除了在数控机床上的应用，步进电动机也可以应用在其他的机械、数模转换装置、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中，另外，在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用，图4-23所示为计算机的软盘驱动装置。磁盘上有许多宽约0.5mm的磁道，磁头通过这些磁道时可进行信息的存取。工作时磁盘旋转，磁头借助于由步进电动机驱动的滚珠丝杠装置在磁道间平移，以实现对磁盘的信息存取，步进电动机的动作则靠键盘来操纵。四、步进电动机的供电电源综上所述，按一定次序给定子绕组通入电脉冲信号，步进电动机转子就会转过与脉冲数相对应的角度，当然实用中脉冲信号不是用