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1、情景四情景四 步进电机步进电机任务任务4-1 4-1 步进电机原理与应用步进电机原理与应用结构与工作原理结构与工作原理知识目标知识目标1 1、掌握步进电动机的结构。、掌握步进电动机的结构。2 2、掌握步进电动机的工作原理。、掌握步进电动机的工作原理。3 3、了解步进电动机的应用。、了解步进电动机的应用。能力目标能力目标步进电动机的接线、操作使用步进电动机的接线、操作使用步进电机外形结构步进电机外形结构常见步进电机外形构造 步进电机内部结构步进电机内部结构步进电机内部结构步进电机内部结构步进电机的内部构造 步进电机分类步进电机分类 按照力矩产生原理分类按照力矩产生原理分类 激磁式激磁式 反应式反
2、应式 混合式混合式 按照定子数目分类按照定子数目分类 单定子单定子 双定子双定子 多定子多定子 按照定子励磁相数分类按照定子励磁相数分类 三相三相 四相四相 五相五相 六相六相 按照各相绕组的分布规律分类按照各相绕组的分布规律分类 径向分相径向分相 (垂轴式垂轴式) 轴向分相轴向分相 (顺轴式顺轴式)三段式（三定子）轴向分相步进电机三段式（三定子）轴向分相步进电机三段式（三定子）轴向分相步进电机三段式（三定子）轴向分相步进电机1 1 1 1 线圈线圈线圈线圈 2 2 2 2 定子定子定子定子 3 3 3 3转子转子转子转子单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电
3、机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 内部结构内部结构内部结构内部结构反应式步进电机的内部结构横剖面示意图反应式步进电机的内部结构横剖面示意图反应式步进电机的内部结构横剖面示意图反应式步进电机的内部结构横剖面示意图 A A相定子绕组通电形成磁场相定子绕组通电形成磁场相定子绕组通电形成磁场相定子绕组通电形成磁场 单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 磁场形成磁场形成步进电机节拍运动动画步进电机节拍运动动画步进电机节拍运动动画步进电机节拍运动动画 单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 节拍运动动画节拍运动动画步距角：步距角：步距角：步距角： 步进电机的定
4、子绕组每改变一次通电状态，步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过的角度称步距角。转子转过的角度称步距角。转子转过的角度称步距角。转子转过的角度称步距角。 单相轮流通电单相轮流通电单相轮流通电单相轮流通电（MM相单相单相单相单MM拍）拍）拍）拍） 顺时针轮回顺时针轮回顺时针轮回顺时针轮回 ABCAABCA 逆时针轮回逆时针轮回逆时针轮回逆时针轮回 ACBAACBA 双相轮流通电双相轮流通电双相轮流通电双相轮流通电（MM相双相双相双相双MM拍）拍）拍）拍） 顺时针轮回顺时针轮回顺时针轮回顺时针轮回 ABBCCAAB
5、ABBCCAAB 逆时针轮回逆时针轮回逆时针轮回逆时针轮回 BAACCBBABAACCBBA单双相轮流通电单双相轮流通电单双相轮流通电单双相轮流通电（MM相相相相2M2M拍）拍）拍）拍） 顺时针轮回顺时针轮回顺时针轮回顺时针轮回 AABBBCCCAAAABBBCCCAA 逆时针轮回逆时针轮回逆时针轮回逆时针轮回 AACCCBBBAAAACCCBBBAA单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 定子的通电方式定子的通电方式定子的通电方式定子的通电方式 单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机
6、的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿两转子齿两转子齿两转子齿 单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿两转子齿两转子齿两转子齿定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序： ABCA ABCA转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向： 顺时针顺时针顺时针顺时针步距角：步距角：步距角：步距角： 单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿两转子齿两转子齿两转子齿定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序
7、: : : : ACBA ACBA转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向： 逆时针逆时针逆时针逆时针步距角：步距角：步距角：步距角： 单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿两转子齿两转子齿两转子齿定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序： ABBCCAAB ABBCCAAB转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向： 顺时针顺时针顺时针顺时针步距角：步距角：步距角：步距角： 单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机
8、的工作原理 两转子齿两转子齿两转子齿两转子齿定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序： BAACCBBA BAACCBBA转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向： 逆时针逆时针逆时针逆时针步距角：步距角：步距角：步距角： 单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿两转子齿两转子齿两转子齿定子通电顺序：定子通电顺序：定子通电顺序：定子通电顺序： AABBBCCCAA AABBBCCCAA 转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向： 顺时针顺时针顺时针顺时针 步距角：步距角：步距角
9、：步距角： 单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿两转子齿两转子齿两转子齿定子通电顺序：定子通电顺序：定子通电顺序：定子通电顺序： AACCCBBBAAAACCCBBBAA 转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：逆时针逆时针逆时针逆时针 步距角：步距角：步距角：步距角：单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿四转子齿四转子齿四转子齿 定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序： ABCA ABCA转子旋转方
10、向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向： 逆时针逆时针逆时针逆时针步距角：步距角：步距角：步距角： 单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿四转子齿四转子齿四转子齿定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序: : : : ACBA ACBA转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向： 顺时针顺时针顺时针顺时针步距角：步距角：步距角：步距角： 单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿四转子齿四转子齿四转子齿定子
11、通电顺序定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序： ABBCCAAB ABBCCAAB转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向： 逆时针逆时针逆时针逆时针步距角：步距角：步距角：步距角： 单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿四转子齿四转子齿四转子齿定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序： BAACCBBA BAACCBBA转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向： 顺时针顺时针顺时针顺时针步距角：步距角：步距角：步距角： 单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原
12、理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿四转子齿四转子齿四转子齿定子通电顺序：定子通电顺序：定子通电顺序：定子通电顺序： AABBBCCCAAAABBBCCCAA转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：逆时针逆时针逆时针逆时针 步距角：步距角：步距角：步距角： 单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿四转子齿四转子齿四转子齿定子通电顺序：定子通电顺序：定子通电顺序：定子通电顺序： AACCCBBBAAAACCCBBBAA 转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋
13、转方向： 顺时针顺时针顺时针顺时针 步距角：步距角：步距角：步距角： 步距角：步距角：步距角：步距角： 步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过的角度称步距角。的角度称步距角。的角度称步距角。的角度称步距角。 转子齿数越多，步距角转子齿数越多，步距角转子齿数越多，步距角转子齿数越多，步距角 越小越小越小越小 定子相数越多，步距角定子相数越多，步距角定子相数越多，步距角定子相数越多，步距角 越小越小越小越小 通电方式的节拍越多，步距角通电方式的节拍越多，
14、步距角通电方式的节拍越多，步距角通电方式的节拍越多，步距角 越小越小越小越小式中：式中：式中：式中：mm 定子相数定子相数定子相数定子相数 Z Z 转子齿数转子齿数转子齿数转子齿数 C C 通电方式通电方式通电方式通电方式 C = 1C = 1 单相轮流通电、双相轮流通电方式单相轮流通电、双相轮流通电方式单相轮流通电、双相轮流通电方式单相轮流通电、双相轮流通电方式 C = 2C = 2 单、双相轮流通电方式单、双相轮流通电方式单、双相轮流通电方式单、双相轮流通电方式常用步进电机的步距角常用步进电机的步距角 常用步进电机的定子绕组多数是常用步进电机的定子绕组多数是三相三相和和五相五相, , 与此
15、相与此相匹配的转子齿数分别为匹配的转子齿数分别为4040齿齿和和4848齿齿，即有，即有三相步进电机：三相步进电机：五相步进电机：五相步进电机：转子转动的原因分析转子转动的原因分析转子转动的原因分析转子转动的原因分析步进电机的实际结构步进电机的实际结构步进电机的实际结构步进电机的实际结构步进电机展开结构步进电机展开结构实际步进电机转动的模拟实际步进电机转动的模拟 控制输入给步进电机的脉冲数目可以控制步进电机的角位移控制输入给步进电机的脉冲数目可以控制步进电机的角位移控制输入给步进电机的脉冲数目可以控制步进电机的角位移控制输入给步进电机的脉冲数目可以控制步进电机的角位移结论结论 控制输入给步进电
16、机的脉冲的频率可以控制步进电机的转速控制输入给步进电机的脉冲的频率可以控制步进电机的转速控制输入给步进电机的脉冲的频率可以控制步进电机的转速控制输入给步进电机的脉冲的频率可以控制步进电机的转速 控制步进电机定子绕组的通电顺序可以控制步进电机的转动控制步进电机定子绕组的通电顺序可以控制步进电机的转动控制步进电机定子绕组的通电顺序可以控制步进电机的转动控制步进电机定子绕组的通电顺序可以控制步进电机的转动 方向方向方向方向 步进电机的驱动控制步进电机的驱动控制步进电机的驱动控制步进电机的驱动控制功率功率功率功率放大放大放大放大器器器器环形环形环形环形分配分配分配分配器器器器加减加减加减加减速速速速电
17、路电路电路电路脉冲脉冲脉冲脉冲混合混合混合混合电路电路电路电路加减加减加减加减脉冲脉冲脉冲脉冲分配分配分配分配电路电路电路电路进给进给进给进给脉冲脉冲脉冲脉冲至步进至步进至步进至步进电机绕阻电机绕阻电机绕阻电机绕阻1. 1. 脉冲混合电路脉冲混合电路脉冲混合电路脉冲混合电路 将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合为正向或负向脉冲进给信号为正向或负向脉冲进给信号为正向或负向脉冲进给信号为正向或负向脉冲进给信号2. 2. 加减脉冲分配电路加减脉冲
18、分配电路加减脉冲分配电路加减脉冲分配电路 将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲3. 3. 加减速电路加减速电路加减速电路加减速电路 将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性的脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。的脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。的脉冲，频率的变
19、化要平稳，加减速具有一定的时间常数。的脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。4. 4. 环形分配器环形分配器环形分配器环形分配器 将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制步进电将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制步进电将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制步进电将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制步进电机定子绕阻通、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数机定子绕阻通、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数机定子绕阻通、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数机定子绕阻通、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。及顺序与进给脉冲的个数及
20、方向对应。及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。5. 5. 功率放大器功率放大器功率放大器功率放大器 将环形分配器输出的将环形分配器输出的将环形分配器输出的将环形分配器输出的mAmA级电流进行功率放大，一般由级电流进行功率放大，一般由级电流进行功率放大，一般由级电流进行功率放大，一般由前置放大器和功率放大器组成。前置放大器和功率放大器组成。前置放大器和功率放大器组成。前置放大器和功率放大器组成。步进电机的驱动控制步进电机的驱动控制 将插补器的单序列脉冲转换为步进电机需要的多序列将插补器的单序列脉冲转换为步进电机需要的多序列脉冲的装置叫环行分配器。脉冲的装置叫环行分
21、配器。 环行分配器可以由硬件构成也可以由软件构成。环行分配器可以由硬件构成也可以由软件构成。环行分配器环行分配器环行分配器的工作原理环行分配器的工作原理 硬件环行分配器的基本构成是触发器。因为步进电机有硬件环行分配器的基本构成是触发器。因为步进电机有几相就需要几个序列脉冲，所以步进电机有几相，就要设置几相就需要几个序列脉冲，所以步进电机有几相，就要设置几个触发器。每个触发器发出的脉冲就是一个序列脉冲，用几个触发器。每个触发器发出的脉冲就是一个序列脉冲，用来控制步进电机某相定子绕组的通、断电。来控制步进电机某相定子绕组的通、断电。 触发器工作的同步信号就是来自插补器的某个坐标轴的触发器工作的同步
22、信号就是来自插补器的某个坐标轴的位移驱动信号位移驱动信号x或或y。 三相单三拍工作方式：三相单三拍工作方式：ABCA当当QA有输出有输出A，就使步进电机的，就使步进电机的A相通电，相通电，当当QB有输出有输出B，就使步进电机的，就使步进电机的B相通电，相通电，当当QC有输出有输出C，就使步进电机的，就使步进电机的C相通电。相通电。输出波形如下输出波形如下环行分配器的工作原理环行分配器的工作原理 如果用如果用D触发器触发器,则触发器的输入端就是则触发器的输入端就是D端，它的信号也端，它的信号也取自触发器本身，不过这中间还要加一定的外接无源电路。触取自触发器本身，不过这中间还要加一定的外接无源电路
23、。触发器的输出和输入通过一定的外电路连接在一起，构成一个封发器的输出和输入通过一定的外电路连接在一起，构成一个封闭的整体环形电路，只要有闭的整体环形电路，只要有x这个单序列脉冲它就能连续不断这个单序列脉冲它就能连续不断地输出地输出A、B、C，这就是我们把它称为环行分配器的道，这就是我们把它称为环行分配器的道理。即环行就是触发器的输入由其输出连接，分配就是根据步理。即环行就是触发器的输入由其输出连接，分配就是根据步进电机定子绕组的通电顺序要求对进电机定子绕组的通电顺序要求对x的序列脉冲进行再分配。的序列脉冲进行再分配。所以也常直接称其为脉冲分配器。所以也常直接称其为脉冲分配器。环行分配器的工作原理环行分配器的工作原理 步进电动机的应用 步进电动机的转速不受电压和负载变化的影响，也不受环境条件(温度、压力等)的限 制。仅与脉冲频率成正比，同时正常工作状态下，角位移的误差不会长期积累，所以被广泛应用于高精度的控制系统中，如数控机床、绘图仪、自动记录仪表、检测仪表、打印机等。 针式打印机工作原理示意图步进电动机的应用
