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1、步进电机步进电机目录目录一、一、 步进电机的发展史步进电机的发展史二、二、 步进电机的概要步进电机的概要（1 1）永永磁磁式式步步进进电电机机（2 2）反反应应式式步步进进电电机机（3 3）混混合合式式步步进进电电机机三、步进电机的分类三、步进电机的分类四、步进电机的结构四、步进电机的结构五、步进电机的工作原理五、步进电机的工作原理六、步进电机的主要特性六、步进电机的主要特性七、步进电机定子相数的分类、结构、原理七、步进电机定子相数的分类、结构、原理八、步进电机的驱动及控制八、步进电机的驱动及控制（1）步进电机的驱动）步进电机的驱动 电机驱动的组成电机驱动的组成（2）步进电机的控制）步进电机的
2、控制PLC 对步进电机的控制对步进电机的控制 单片机对步进电机的控制单片机对步进电机的控制九、结束语九、结束语1、步进电机的发展史步进电机的发展史电机为工业发展不可缺少的一大要素，并扮演着重要的角色。电机的应用不仅在动力应用反面不断扩大，而且在控制领域的使用范围也在不断扩大。随着控制电机重要性的增加，控制电机的使用量也逐年增加。步进电机是一种控制电机，不使用反馈回路，就能进行速度控制及定位控制，即所谓的电机开环控制，不使用反馈回路，其应用主要以处理办公业务能力很强的 OA(Office Automation,办公自动化)机器和 FA(Factory Automation 工厂自动化)机器为核心
3、，并广泛的应用于医疗器械、计量仪器、汽车、游戏机等。就数量来讲，OA 机器方面的应用约占步进电机使用总数的 75%。虽然步进电机最近被大量应用，但其原理早已有之。步进电机与电磁铁和柱塞泵同一时期开发，法国人佛罗曼提出了将电磁铁的吸引力转化为旋转力矩的方法。当时，激磁相的切换用机械凸轮的接触点来完成，这就是步进电机的原型。现在还有旋转线圈式的应用方法。1920 年步进电机的实际应用才开始，称为 VR（Variable Relutance 变磁阻）型步进电机，被英国海军用作定位控制和远程遥控。混合式 HB(Hybrid 的缩写，是 VR 与 PM 复合的意思)型步进电机的产生，大约在 1952 年
4、，由美国 GE 公司的 Karl Feiertag 开发的发电机演变而来。与现在的两相 HB 型步进电机结构相同，取得了 US专利。当初作为低速同步电机使用，其后，由美国的 Superior Electric 公司和 Sigma Instruments 公司开发出两相 1.8步距角的 HB 型步进电机。当时因为电流小、电感大、恒电驱动的关系，换相脉冲只有 300pps（现在为 1020kpps）。另一方面，从驱动电路方面看，步进电机的发展与晶体管半导体元件的发展密不可分。1950 年研制出二极管半导体，1964 年开发出MOS 半导体，1965 年出现 IC，1967 年 LSI 使用化。特别
5、是经过19501965 年间半导体材料的高速发展，进入 20 世纪 70 年代，由于价格便宜，可靠性高的逻辑数字电路得到广泛应用，使步进电机的使用量急剧增加。2 2、步进电机的概要、步进电机的概要步进电机分三种：永磁式（ PM），反应式（ VR）和混合式（HB）。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度 或 15 度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80 年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的
6、应用最为广泛。现在比较常用的步进电机包括 反应式步进电机（ VR）、永磁式步进电机 （PM）、混合式步进电机 （HB）和单相式步进电机等。永永磁磁式式步步进进电电机机永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度 或 15 度；永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。反反应应式式步步进进电电机机反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子 磁路由软磁材料制成，定子上有多相 励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。混混合合式式步步进进电电机机混
7、合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。3、步进电机的分类步进电机的分类表表 5-1 步进电机的分类步进电机的分类分类方式具体类型按力矩产生的原理（1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行。（2）激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢），由电磁力矩实现步进运行。按输出力矩大小（1）伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几（Nm）只能驱动较小的
8、负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载。（2）功率式：输出力矩在 5-50 Nm 以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载。按定子数（1）单定子式（2）双定子式（3）三定子式（4）多定子式。按各相绕组分布（1）径向分布式：电机各相按圆周依次排列（2）轴向分布式：电机各相按轴向依次排列4、步进电机的结构步进电机的结构目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。在反应式步进电机中，有轴向分相和径向分相两种，如表 5-1 所述。图 5-2 是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。它与普通电机一样，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁
9、心由电工钢片叠压而成，其形状如图中所示。定子绕组是绕置在定子铁心 6 个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图 5-2 所示的步进电机可构成三相控制绕组，故也称三相步进电机。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的 NS 极。在定子的每个磁极上，即定子铁心上的每个齿上又开了 5 个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为 9，转子上没有绕组，只有均匀分布的 40 个小齿，齿槽也是等宽的，齿间夹角也是 9，与磁极上的小齿一致。此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开 1/3 齿距，如图 5-3 所示。当 A 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐
10、时，B 相磁极上的齿刚好超前(或滞后)转子齿 1/3 齿距角，C相磁极齿超前(或滞后)转子齿 2/3 齿距角。图图 5-2 单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图图图 5-3 步进电机的齿距步进电机的齿距图 5-4 是一个五定子、轴向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。从图中可以看出，步进电机的定子和转子在轴向分为五段，每一段都形成独立的一相定子铁心、定子绕组和转子，图 5-5 所示的是其中的一段。各段定子铁心形如内齿轮，由硅钢片叠成。转子形如外齿轮，也由硅钢片制成。各段定子上的齿在圆周方向均匀分布，彼此之间错开 1/5 齿距，其转子齿彼此不错位
11、。当设置在定子铁心环形槽内的定子绕组通电时，形成一相环形绕组，构成图中所示的磁力线。除上面介绍的两种形式的反应式步进电机之外，常见的步进电机还有永磁式步进电机和永磁反应式步进电机，它们的结构虽不相同，但工作原理相同。5、步进电机的工作原理步进电机的工作原理步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。图 5-6 是一种最简单的反应式步进电机，下面以它为例来说明步进电机的工作原理。图 5-6(a)中，当 A 相绕组通以直流电流时，根据电磁学原理，便会在 AA 方向上产生一磁场，在磁场电磁力的作用下，吸引转子，使转子的齿与定子 AA 磁极上的齿对齐。若 A 相断电，B 相通电，这时新的磁场其电磁力又
12、吸引转子的两极与 BB 磁极齿对齐，转子沿顺时针转过 60。通常，步进电机绕组的通断电状态每改变一次，其转子转过的角度 称为步距角。因此，图 5-6(a)所示步进电机的步距角 等于 60。如果控制线路不停地按 ABCA的顺序控制步进电机绕组的通断电，步进电机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为 ACBA，同理，步进电机的转子将逆时针不停地转动。图图 5-4 五定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图五定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图图图 5-5 一段定子、转子及磁回路一段定子、转子及磁回路上面所述的这种通电方式称为三相三拍。还有一种三相六拍的通电方式，它的通电顺序是：顺时针为 A
13、AB B BC C CA A；逆时针为 A AC C CB B BA A。若以三相六拍通电方式工作，当 A 相通电转为 A 和 B 同时通电时，转子的磁极将同时受到 A 相绕组产生的磁场和 B 相绕组产生的磁场的共同吸引，转子的磁极只好停在 A 和 B 两相磁极之间，这时它的步距角 等于 30。当由 A 和 B 两相同时通电转为 B 相通电时，转子磁极再沿顺时针旋转 30，与 B 相磁极对齐。其余依此类推。采用三相六拍通电方式，可使步距角 缩小一半。图图 5-6 步进电机工作原理图步进电机工作原理图图 5-6(b)中的步进电机，定子仍是 A，B，C 三相，每相两极，但转子不是两个磁极而是四个。
14、当 A 相通电时，是 1 和 3 极与 A 相的两极对齐，很明显，当 A 相断电、B 相通电时，2 和 4 极将与 B 相两极对齐。这样，在三相三拍的通电方式中，步距角 等于 30，在三相六拍通电方式中，步距角 则为 15。综上所述，可以得到如下结论：(1)步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角 ；(2)改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；(3)步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；(4)步进电机步距角 与定子绕组的相数 m、转子的齿数 z、通电方式 k 有关，
15、可用下式表示：式中 m 相 m 拍时，k=1；m 相 2m 拍时，k=2；依此类推。对于图 5-2 所示的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机，当它以三相三拍通电方式工作时，其步距角为若按三相六拍通电方式工作，则步距角为6、步进电机的主要特性、步进电机的主要特性(1)步距角：步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为 。步距角越小，数控机床的控制精度越高。(2)矩角特性、最大静态转矩 Mjmax 和启动转矩 Mq。矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生的静态转矩与
16、失调角的变化规律。(3)启动频率 fq：空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。7、步进电机定子相数的分类、结构、原理、步进电机定子相数的分类、结构、原理现以两相与三相步进电机为例详细说明步进电机的相数与特性的关系。相数与特性综合概述为：1)高分辨率根据式(21)，步距角为 180PNr。故相数 P 越大，角分辨率越高。提高分辨率，可以提高定位控制精度，改善低速失步，使多相控制成为可能，并且可以改善阻尼(改善制动性能，减小停止时的超调量和制动时间)。详细说明在驱动技术部分。2)低振动图 29 表示的是两相和三相步进电机的转矩波动，相数愈多，换相的两相绕组动态转矩曲线的交点转矩值 Tg 与最大静态转矩 Th 的相对误差愈小。TR 为电机所带负载转
