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1、1哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心自动控制元件及线路自动控制元件及线路 1515步进电机原理与静特性步进电机原理与静特性哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心目目录录1 1。步进电动机结构与原理步进电动机结构与原理- 步进电机的基本结构与原理步进电机的基本结构与原理- 步进电机与伺服电机的区别步进电机与伺服电机的区别2 2。磁阻式步进电机运行的基本关系磁阻式步进电机运行的基本关系
2、- 齿距角与步距角齿距角与步距角- 步进电机转速步进电机转速3 3。磁阻式步进电机的静特性磁阻式步进电机的静特性哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理步进电动机是一种将电脉冲步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行信号转换成机械位移的机电执行 元件元件。步进电动机的分类步进电动机的分类：工作原理工作原理反应式反应式 永磁式永磁式 混合式混合式输出转输出转 矩大小矩大小伺服步进电机伺服步进电机功率步进电机功率步进电机励磁相数励磁相数
3、二二、三三、四四、五五、六六、八相等八相等角位移角位移输入脉冲个数输入脉冲个数运行速度运行速度输入脉冲频率输入脉冲频率哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心步进电机主要由两部分构步进电机主要由两部分构成成：定子和转子定子和转子。定定、转子铁心由软磁材料转子铁心由软磁材料或硅钢片叠成凸极结构或硅钢片叠成凸极结构，定定、转子磁极上均有小齿转子磁极上均有小齿，定定、转子的齿距相等转子的齿距相等。图中定图中定子有六个磁极子有六个磁极, ,定子磁极上套定子磁极上套有三相控制绕组有三相控制绕组，每两个
4、相每两个相对的磁极为一相对的磁极为一相，组成一相组成一相控制绕组控制绕组, ,转子上没有绕组转子上没有绕组。步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心以三相反应式步进电动机为例以三相反应式步进电动机为例，其原理结构图其原理结构图以三相反应式步进电动机为例以三相反应式步进电动机为例，其原理结构图其原理结构图如下如下：AB CIAIBIC定子内圆周定子内圆周均匀分布着六个均匀分布着六个磁极磁极，磁极上有磁极上有励磁绕组励磁绕组，每两每两个相对的绕组组
5、个相对的绕组组成一相成一相。转子有转子有四个齿四个齿。定子定子转子转子步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心给一相绕组通电时给一相绕组通电时，如果转子如果转子齿偏离定子齿一个角度齿偏离定子齿一个角度，由于励由于励 磁磁通力图沿磁阻最小路径通过磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力因此对转子产生电磁吸力，迫使迫使 转子齿转动转子齿转动，当转子转到与定子当转子转到与定子齿对齐位置时齿对齐位置时，因转子只受径向因转子只受径向力而无切线
6、力力而无切线力，故转矩为零故转矩为零，转转子被锁定在这个位置上子被锁定在这个位置上。由此可由此可 见见：错齿是使步进电机旋转的根错齿是使步进电机旋转的根本原因本原因。步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理2哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心三相反应式步进电机的工作方式可分为三相反应式步进电机的工作方式可分为：三相单三拍三相单三拍、三三相单双六拍相单双六拍、三相双三拍等三相双三拍等。一一、三相单三拍三相单三拍一一、三相单三拍三相单三拍三相绕组中的通电顺序为三相绕组中的通电顺序为
7、：A 相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为通电顺序也可以为： A 相相 C 相相 B 相相步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线因此会在磁力线扭曲时产生切向力而形成磁阻转矩扭曲时产生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动使转子转动，使转使转、定子定子的齿对齐停止转动的齿对齐停止转动。A A相通电相通电，A A方向的磁通方向的磁通经转子形成闭合回路经转子形
8、成闭合回路。若转若转子和磁场轴线方向原有一定子和磁场轴线方向原有一定角度角度，则在磁场的作用下则在磁场的作用下，转子被磁化转子被磁化，吸引转子吸引转子，A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA 对齐对齐。C ABBCA341 2步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心C ABBCAB相通电相通电，转子转子2、4齿齿和和B相轴线对齐相轴线对齐，相对相对A相通电位置转相通电位置转30 ；CC ABBAC相通电相通电，再转再转30
9、 步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心这种工作方式这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电因三相绕组中每次只有一相通电， 而且而且，一个循环周期共包括三个脉冲一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相所以称三相 单三拍单三拍。三相单三拍的特点三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲每来一个电脉冲，转子转过转子转过30 。此角称为此角称为 步距角步距角，用用 S表示表示。（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
10、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。步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心二二、三相双三拍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通电通电C ABBCAC ABBCABC通电通电步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中
11、心三三、三相单双六拍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： AABBBCCCAA 共六拍共六拍。A A相通电时相通电时：C ABBCA341 2步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理3哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心所以转子转到两磁拉力平衡的位置上所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对相对AA AA 通电通电，转子转子 转了转了1515。（1 1）BBBB 磁场对磁场对 2 2、4 4 齿有磁拉力齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针该拉力使转子顺时针 方向转动方向
12、转动。A、B相同时通电相同时通电（2 2）AAAA 磁场继续对磁场继续对1 1、3 3齿有拉力齿有拉力。C ABBCA步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心总之总之，每个循环周期每个循环周期，有六有六种通电状态种通电状态，所以称为三相所以称为三相六拍六拍，步距角为步距角为1515 。C ABBCAB B相通电相通电，转子转子2 2、4 4齿和齿和B B相相 对齐对齐，又转了又转了1515 。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
13、双六拍较三相双三拍和三相单双六拍较 三相单三拍稳定三相单三拍稳定，因此较常采用因此较常采用。步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心定定、转子齿距相等转子齿距相等，且齿数且齿数配合要恰当配合要恰当。实际需要步进电机的步距角较小实际需要步进电机的步距角较小(0.36(0.36- -3 3) )，所以其齿所以其齿数较多数较多。如如：转子齿数转子齿数Z Z= 40= 40，齿距角齿距角 = = 9 Z360 360 40ACABCB步进电动机步进电动
14、机结构与工作原理结构与工作原理哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心原理原理：步进电机将步进电机将脉冲信号脉冲信号转换成转换成线位移或角位移线位移或角位移的电机的电机。每来一个电脉冲每来一个电脉冲，电机转动一个角度电机转动一个角度，带带动机械移动一小段距离动机械移动一小段距离。特点特点：(1)(1)来一个脉冲来一个脉冲，转一个步距角转一个步距角。(2)(2)控制脉冲频率控制脉冲频率，可控制电机转速可控制电机转速。(3)(3)改变脉冲顺序改变脉冲顺序，改变转动方向改变转动方向。(4)(4)角
15、位移量或线位移量与电脉冲数成正比角位移量或线位移量与电脉冲数成正比. .步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理注意注意：注意注意：步进电机通的步进电机通的 是直流电脉冲是直流电脉冲。哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心电机的各种运行特性由下列条件决定电机的各种运行特性由下列条件决定：l l 输入脉冲数输入脉冲数；l l 脉冲频率脉冲频率；l l 电动机各相绕组的接通次序电动机各相绕组的接通次序。步进电机系统广泛用于数字控制系统步进电机系统广泛用于数字控制系统，如数控如数控机床机床, ,家庭家庭、办公室自动化等领域办公室自动化等领域。在小功率在小功率、适于适于位置开环控制的场合因其简单位置开环控制的场合因其简单、低成本而具有优势低成本而具有优势。步进电动机步进电动机结构与工作原理结构与工作原理哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心控制与仿真中心步进电机系统步进电机系统脉冲脉冲 分配器分配器功率功率 放大器放大器步进步进 电动机电动机负负 载载输入脉冲输入脉冲脉冲分配器脉冲分配器：
