电机与电气控制技术 课件 6-2认识步进电动机

项目六控制电动机任务二认识步进电动机任务描述

步进电动机是常用工业控制电动机的一种，可以将电脉冲信号转变为角位移或线位移，是一种开环控制元件，通过控制步进电动机的电脉冲频率和脉冲数，可以方便地控制其速度和角位移，广泛应用于数控机床、绘图机、雕刻机、机械手等定位控制系统中。

本任务主要学习步进电动机的分类、结构及工作原理、参数和控制方式，了解步进控制系统的组成。步进电动机

步进电动机是一种将电脉冲信号转化为角位移或线位移的执行机构，是一种专门用于速度和位置精确控制的特种电动机，它的旋转是以固定的角度一步一步进行的，而不是连续旋转。工作时靠步进驱动器控制，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度（称为步距角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。图6-7

步进电动机常见外形步进电动机的分类步进电动机按工作原理分三种：永磁式、反应式、混合式。永磁式步进电动机转子和定子的某一方具有永久磁钢，另一方由软磁材料制成。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。一般为两相，转矩和体积较小。反应式步进电动机的转子为软磁材料，无绕组，定转子开小齿，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动。一般为三相，可实现大转矩输出，但噪声和振动都很大。混合式步进电动机混合了永磁式和反应式的优点。与反应式的区别是转子上置有磁钢，分为两相和五相，两相步进角一般为1.8度，而五相步进角一般为0.72度，这种步进电动机的应用最为广泛。步进电动机的结构

步进电动机由转子（转子铁心、永磁体、转轴、滚珠轴承）、定子（绕组、定子铁心）、前后端盖等组成。步进电动机的结构如图6-8所示，定子和转子如图6-9所示。步进电动机的机座号主要有35、39、42、57、86、110等。图6-8步进电动机的结构（a）步进电动机的定子（b）步进电动机的转子图6-9步进电动机的定子和转子示意图

步进电动机的工作原理

图6-10所示为步进电动机的工作原理。假设转子有2个齿，而定子有4个齿。当给A相通电时，定子上产生一个磁场，磁场的S极在上方，而转子是永久磁铁，转子磁场的N极在上方，因为定子A齿和转子的1齿对齐，所以定子S极和转子的N极相吸引（同理定子N极和转子的S极也相吸引），所以转子没有切向力，转子静止。接着，A相绕组断电，定子的A相磁场消失，给B相绕组通电时，B相绕组产生的磁场，将转子的位置吸引到B相的位置，所以转子齿偏离定子齿一个角度，也就是带动转子转动。图6-10步进电动机的工作原理示意图步进电动机的参数1、步距角

步距角表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电动机所转动的角度。电动机出厂时给出了一个步距角的值这个步距角可以称为“电动机固有步距角”，它不一定是电动机实际工作时的实际步距角，实际步距角和驱动器有关。步距角满足如下公式：式中，Z为转子齿数；m为定子绕组相数；K为通电系数，当前后通电相数一致时，K=1，否则K=2。由此可见，步进电动机的转子齿数Z和定子相数（或运行拍数）越大，步距角越小，控制越精确。例1：如果二相的转子齿数为100，求单拍运行、双拍运行时的步距角各是多少？解：单拍运行时：双拍运行时：步进电动机的参数2、步进电动机的速度

当定子控制绕组按照一定顺序不断地轮流通电时，步进电动机就持续不断地旋转。步进电动机的转速取决于各相定子绕组通入电脉冲的频率。其速度为：式中，Z为转子齿数；m为定子绕组相数；K为通电系数，当前后通电相数一致时K=1，否则K=2，为电脉冲的频率，即每秒脉冲数。例2：如果五相的转子齿数是100，如果双拍运行，脉冲频率是5000HZ，则电动机运转速度是多少？

解：步进电动机的参数3、步进电动机的相数

电动机的相数是指电动机内部的绕组组数，常用m表示。目前常用的有二相、三相、四相、五相、六相、八相等。电动机相数不同时，步距角也不同。一般二相电动机的步距角为0.9°/1.8°，三相的为0.75°/1.5°，五相的为0.36°/0.72°。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电动机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。4、步进电动机的拍数拍数是指完成一个磁场周期变化所需要的脉冲数，用n表示，或指电动机转过一个步距角所需脉冲数。根据步距角的计算公式，步距角与拍数的关系为：（转子齿数运行拍数）。

如：转子齿数为50齿的电动机，四拍运行时，步距角

(俗称整步），八拍运行时，步距角

（又称为半步）。5、保持转矩

保持转矩是指通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是最重要的参数之一。通常步进电动机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电动机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成了衡量步进电动机最重要的参数之一。例如，2N·m的步进电动机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N·m的步进电动机。步进电动机的工作方式

步进电动机的转速取决于各相定子绕组通电与断电的频率，旋转方向取决于定子绕组轮流通电的顺序。对于定子有6个极的三相步进电动机，工作方式有：单三拍、双三拍和六拍。1.单三拍工作方式三相是指定子绕组有3组，“单”是指每次切换前后，只有一相绕组通电，“三拍”是指通电三次完成一个通电循环。工作原理如图6-11所示。图6-11三相步进电动机单三拍运行工作原理（1）单三拍工作方式工作原理A相单独通电时，磁力线沿定子磁极A、转子齿1、齿3形成闭合回路。此时，齿1、齿3的中心线与磁极A的中心线重合，如图6-11（a）所示。B相单独通电时，磁力线沿定子磁极B、转子齿2、齿4形成闭合回路，使齿2.齿4与磁极B对准，齿1的中心线顺时针转过30°机械角度，如图6-11（b）所示。C相单独通电时，磁力线沿定子磁极C、转子齿1、齿3形成闭合回路，使齿1、齿3与磁极C对准，齿1的中心线又顺时针转过30°机械角度，如图6-11（c）所示。依此类推，控制绕组的电流按A-B-C-A的顺序切换，转子将顺时针一步一步转动，步距角=30°；若控制绕组的电流按A-C-B-A的顺序切换，转子则逆时针转动。图6-11三相步进电动机单三拍运行工作原理2.双三拍工作方式“双”是指每次有两相绕组通电，三拍为一个循环。工作原理如图6-12所示。A相、B相同时通电，磁力线分成两路，一路沿磁极A、齿1、齿4、磁极B形成闭合回路；另一路沿磁极B、齿2、齿3、磁极A形成闭合回路。B相磁场对2、4齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动；A相磁场也对1、3齿有拉力，转子转到两磁拉力平衡的位置上。以磁极A为参考，齿1的中心线顺时针转过15°机械角度，如图6-12（a）所示。B相、C相同时通电，磁力线一路沿磁极B、齿4、齿3、磁极C形成闭合回路；另一路沿磁极C、齿1、齿2、磁极B形成闭合回路。转子转到BC两极之间的对称位置，如图6-12（b）所示。以磁极A为参考，齿1的中心线在原来的基础上顺时针转过30°机械角度。同理，C相、A相同时通电，转子又顺时针转过30°机械角度，如图6-12（c）所示。根据上面的分析，双三拍运行时，步距角与单三拍运行时相同，也是30°（AB相通电前为CA相通电，齿1的中心线在齿A偏左15°位置，即CA相通电到AB相通电这一拍，电动机也是转过30°机械角度）。依此类推，控制绕组的电流按AB→BC→CA→AB的顺序切换，转子顺时针转动；控制绕组的电流按AC→CB→BA→AC的顺序切换，转子逆时针转动。图6-12三相步进电动机双三拍运行工作原理3.六拍运行方式六拍运行方式是将通电方式改为单相通电、两相通电交替进行，每六拍为一个循环。控制绕组的通电顺序按照A→AB→B→BC→C→CA→A进行，工作过程如下：第一拍：A相单独通电，磁场的分布及转子的位置如图6-11（a）所示，转子齿1的中心线恰好与定子磁极A的中心线重合，偏移角度为0°。第二拍：A相、B相同时通电，磁场的分布及转子的位置如图6-12（a）所示，转子齿1的中心线顺时针旋转15°。由此可见，三相六拍运行时，每拍的步距角为15°。改变控制绕组的通电顺序为A→AC→C→CB→B→BA→A，转子逆时针转动。图6-12三相步进电动机双三拍运行工作原理图6-11三相步进电动机单三拍运行工作原理步进控制系统的组成

步进电动机控制系统由控制器、步进驱动器和步进电动机构成，如图6-13所示。控制器（通常是PLC）发出脉冲信号和方向信号，步进驱动器接收这些信号，先进行环形分配和细分，然后进行功率放大，变成安培级的脉冲信号，驱动步进电动机，按控