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1、 步进电机 4.1 简简介步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并 将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机 。主要优点：步距角和转速不受电压波动和负载变化 的影响，仅与脉冲频率有关。它每转一周都有固定的步 数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累 ，从而使它适合于在数字控制的开环系统中作为驱动电 动机，也可用作闭环系统的驱动元件。 主要缺点：效率较低，需配适当的驱动电源，带惯 性负载的能力不强。4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材种类：励 磁 方 式磁阻式(反应式)永磁式混合式运 行 方 式旋转型直线型平面型系统构成：步进 电机脉冲分配器脉冲放大器脉冲信
2、号输入4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材4.2 反应式步进电动机的结构与工作原 理 一、反应式步进电动机的结构 单段式 多段式a)径向磁路b)轴向磁路4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材径向磁路1线圈；2定子；3转子轴向磁路1线圈；2定子；3磁轭4转子；5引出线4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材二、工作原理三相反应式步进电动机有三种运行方式： 三相单三拍运行； 三相双三拍运行； 三相单、双六拍运行“三相” 指步进电机的相数；“单” 指每次只给一相绕组通电；“双”则是每 次同时给二相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个循环4.步进电
3、机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材A相导通B相导通1. 三相单三拍运行方式4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材C相导通A相导通4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材按A-B-C-A的顺序通电，电机转子在磁阻转矩作 用下沿ABC方向转动，电机的转速直接取决于控制绕组 的换接频率。定子控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍， 此时电机转子所转过的空间角度称为步距角。齿距角：步距角：4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材2. 三相双三拍运行方式按AB-BC-CA-AB或相反的顺序通电，每次同 时给两相绕组通电，且三次换接为一个循环。步
4、距角 与三相单三拍运行方式的步距角相同。AB相导通BC相导通4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材3. 三相单、双六拍运行方式 按A-AB-B-BC-C-CA或相反顺序通电，即需要六拍才 完成一个循环，因此步距角为：A相导通B相导通AB相导通4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材对于其它相数的步进电动机，同样可以有多种 运行方式，例如四相步进电动机有：四相单四拍，四 相双四拍，四相单双八拍等运行方式。一般而言，无论几相电机以及采用何种运行方 式，步距角与转子齿数Zr和拍数N之间有如下关系：(机械角度)此处，m为控制绕组相数，C为状态系数，单三、双三拍时 ，C
5、=1；单双六拍时C=2。如果连续不断地输入脉冲，则电机转子就连续旋转， 其转速与脉冲频率有关。每输入一个脉冲，转子转过：4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材每秒钟输入f 脉冲，则转过 f/ZrN 转，故电机转速 为： rpm4. 小步距角磁阻式步进电机转子上有均匀分布的40个齿.4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材小步距角步进电动机中的转子齿数，必须满足 一定的要求，才能保证电机产生步进运动。当A相极面下的定、转子齿对齐时，B和C极面下的齿就分别 和转子齿相错三分之一的转子齿，即3度。转子齿数应符合：4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教
6、材4.3 反应式步进电动机运行特性一、静态特性静态运行是指通电状态不变，电机处于 稳定状态时的特性。静特性静转矩矩角特性静态稳定区需要清楚的几个名称：(1)初始稳定平衡位置：指步进电动机在空载情况下，控制4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材绕组中通以直流电流时，转子的最后稳定位置; (2)失调角q：指步进电动机转子偏离初始平衡位置的 电角度。在反应式步进电动机中，转子一个齿距所对应 的度数为2p电弧度或360o电角度； (3)矩角特性：在不改变通电状态(即控制绕组电流不 变)时，步进电动机的静转矩与转子失调角的关系，即 T=f(q) =0, T=0; 0, T0; =, T
7、=0定子转子4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材当只有一相绕组通电时，储存在电机气 隙中的磁场能量为 磁导变化曲线 4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材步进电动机的矩角特性4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材(4)静态稳态区：在空载时，稳定平衡位 置对应于q=0处，而q=180度则为不 稳定平衡位置。在静态情况下，如受 外力矩的作用使转子偏离稳定平衡位 置，但没有超出相邻的不稳定平衡点 ，则当外力矩除去以后，电动机转子 在静态转矩作用下仍能回到原来的稳 定平衡点，所以二个不稳定平衡点之 间的区域构成静态稳定区。 (5)最大静转矩：Tm
8、ax=f(I)最大静转矩特性4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材六拍时的矩角特性族三拍时的矩角特性族(6) 矩角特性族4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材二、动态特性 1. 单脉冲运行当加上一个控制脉冲信 号，矩角特性将转移到 矩角特性族中的下一条 矩角特性曲线，转子将 转到新的稳定平衡位置 o1。在改变通电状态时 ，只有当转子起始位置 位于ab之间才能使它向 o1点运动。因此称区间 ab为电动机空载时的动 态稳定区。动态稳定区静态稳定区C4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材动态稳定区：(-p+qse)Tst新矩角特性上对应点的转矩小
9、于 负载转矩，转子不能到达新的稳 定平衡点o”1，而是向q减小的方 向运动，因此不能作步进运动。4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材由此可知，步进电动机能带的最大负载转矩要比最大 静转矩Tmax小。只有当负载转矩小于起动转矩(最大负载 转矩)Tst，才能保证电动机进行正常的步进运动。若矩角特性为幅值相等的正弦波时，可得：当C=1时，m 最小为3；m越大，起动转矩越大；C越大，起 动转矩越大。转子振荡过程：以上分析时认为，切换控制绕组时，转子单调地趋向新的平 衡位置，但实际上要经过一个衰减的振荡过程。4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材为减小振荡幅度和时间
10、，可 增加阻尼：机械阻尼：增加电机转子的 干摩擦阻力或增加粘性阻力 。缺点：增大了惯性，快速 性能变坏，体积增大。电气阻尼：多相激磁阻尼、 延迟断开阻尼。优点：方法 简单，效果好。4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材当负载转矩为零，且不计阻尼作用时，用外力使转子 偏离稳 定平衡位置一个小角度，然后释放，则转子将在 电磁转矩作用下向稳定位置运动，形成一个自由振荡， 其运动方程为：解为：4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材2. 连续脉冲运行 极低频-连续步进运行4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 脉冲频率很低时的低 频共振频率介于极低频
11、 与高频之间，此时脉冲间 隔较长，电动机起动和运 行一般不会有问题。但是 ，如果等于或接近于步进 电动机的振荡频率时，电 动机就会出现低频共振。 A相通电，OAdOB eOBd，此时第二个 脉冲到来，通电绕组由B 相换为C相，工作点由d 移到f，由于转矩为负， 转子返向转动向OC移动 。低频共振现象 4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 脉冲频率很高时的连续 运行当控制脉冲的频率 很高时，脉冲间隔的时间 很短，电机转子尚未到达 第一次振荡的幅值，甚至 还没有到达新的稳定平衡 位置，下一个脉冲就到来 。此时电机的运行已由步 进变成了连续平滑的转动 ，转速也比较稳定。当频率太高
12、时，也 会产生失步，甚至还会产 生高频振荡。 连续运行状态 4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 起动频率和起动特性 fst是指一定负载转矩下能够不失步地起动的脉冲 最高频率，它的大小与电动机本身参数、负载转矩及转 动惯量的大小，以及电源条件等因素有关。它是步进电 动机的一项重要技术指标。fst=f(TL) 起动矩频特性fst=f(J) 起动惯频特性 连续运行频率与运行矩频特性步进电动机带一定负载正常起动后，连续缓慢地 升高脉冲频率，直到不丢步运行的最高频率，称为运行 频率。4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材起动连续运行矩频特性起动惯频特性4.步进电机
13、普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材那么，为什么频率升高后电机的转矩会下降 呢？ 因为，控制绕组呈电感性，它具有延缓电流 变化的作用。4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材4.4 其他型式步进电机1. 永磁式步进电动机定子为两相(或多相)绕组 ；转子为星形永久磁钢；转子极数应与定子每相极 数相同。极对数p=24.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材二相单四拍：定子绕组按AB(-A)(-B) A的次序通电，转子将顺时针方向转过45。步 距角为：二相双四拍：定子绕组按ABB(-A)(-A)(-B)(-B)A AB的次序通电，转子将顺时针方向转过45。永磁式
14、步进电动机的特点是：步距角大，启动和运行 频率低，需正负脉冲供电 ；但所需控制功率小，效率 高。4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材2. 混合式步进电动机（永磁感应子式）定子结构与反应式步进电动机相同。转子由环形磁钢和两段铁芯组成，环形磁钢在转子中部，轴 向充磁，两段铁芯分别装在磁钢的两端。4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 气隙上有两个磁动势：一个永磁磁动势，一 个是控制绕组通电产生的磁动势。它们有时相 加，有时相减。故称为混合式。运行原理(1) 定子A相绕组通电时，在电磁转矩作用下转子 处于稳定平衡位置，如下图（a)所示。4.步进电机普通高等教育“
15、十一五”国家级规级规 划教 材(2)若使转子偏离稳定平衡位置，如下图(b)所示，转 子向右偏离了一个角度，在不同端、不同极的转矩作用 方向是相同的，都是使转子回到稳定平衡位置的方向。4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材（a)(b)4.5 步进电动进电动 机的驱动电驱动电 源一、对驱动电源的基本要求 驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都 要满足步进电动机的要求； 要满足步进电动机起动频率和连续运行频率 的要求； 能最大限度地抑制步进电动机的振荡； 工作可靠，抗干扰能力强； 成本低、效率高，安装维护方便。4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材二、驱动电源组成
16、变频 信号源脉冲 分配器功率 放大器步进 电动机负载指令1. 变频信号源：是一个脉冲频率由几赫到几十千赫可连续 变化的信号发生器，可以是计算机或振荡器。2. 脉冲分配器：一种逻辑电路，由双稳态触发器和门电路 组成，它可能将输入的电脉冲信号根据需要循环地分配 到脉冲放大器进行功率放大，并使步进电动机按选定的 运行方式工作。4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材三相单三拍脉冲分配器JKQ(t+1)说 明101置“1”010置“0”00Q(t)不变11(t)求补JK触发器真值表4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材三相单、双六拍单转向脉冲分配器4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 功率驱动电路 单极性驱动（反应式步进电动机） q 单一电压型功率放大电路优点：线路简单，功率元件少，成本 低。缺点：Rf1上
