步进电动机的驱动电源

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1、第第4章章 步进电动机步进电动机 4.1 概述概述 4.2 反应式步进电动机的结构和工作原理反应式步进电动机的结构和工作原理 4.3 反应式步进电动机的静态特性反应式步进电动机的静态特性 4.4 反应式步进电动机的动态特性反应式步进电动机的动态特性 4.5 步进电动机的其它类型及主要性能指标步进电动机的其它类型及主要性能指标 4.6 步进电动机的驱动电源步进电动机的驱动电源4.1 概述概述步进电动机将输入的脉冲电信号变换为阶跃的角位移或直线位移，给步进电动机将输入的脉冲电信号变换为阶跃的角位移或直线位移，给一个脉冲信号，电动机前进一步，因此称为步进电动机。一个脉冲信号，电动机前进一步，因此称为

2、步进电动机。 （1）控制系统对的基本要求）控制系统对的基本要求 在电脉冲的控制下，步进电动机能迅速起动、正反转、制动和停车，在电脉冲的控制下，步进电动机能迅速起动、正反转、制动和停车， 调速范围宽广；调速范围宽广； 步进电动机的步距角要小，步距精度要高，不丢步不越步；步进电动机的步距角要小，步距精度要高，不丢步不越步； 工作频率高、响应速度快。工作频率高、响应速度快。（2）步进电动机的分类）步进电动机的分类按其工作方式不同，可分为按其工作方式不同，可分为功率步进电动机功率步进电动机和和伺服步进电动机伺服步进电动机两类。两类。按励磁方式的不同，步进电动机可分为按励磁方式的不同，步进电动机可分为反

3、应式反应式、永磁式永磁式和和感应子式感应子式三类。三类。反应式步进电机三相反应式步进电机永磁式步进电机结构特点结构特点定子铁心定子铁心 定子铁心为凸极结构，由硅钢片迭压而成。在面向气隙的定子铁心为凸极结构，由硅钢片迭压而成。在面向气隙的定子铁心表面有齿距相等的小齿。定子铁心表面有齿距相等的小齿。图图4-1 四相反应式步进电动机的结构四相反应式步进电动机的结构定子绕组定子绕组 定子每极上套有一个集中绕定子每极上套有一个集中绕组，相对两极的绕组串联构成一相。步组，相对两极的绕组串联构成一相。步进电动机可以做成二相、三相、四相、进电动机可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。五相、六相、八相等

4、。转子转子 转子上只有齿槽没有绕组，系统工转子上只有齿槽没有绕组，系统工作要求不同，转子齿数也不同。作要求不同，转子齿数也不同。4.2 反应式步进电动机的结构和工作原理反应式步进电动机的结构和工作原理4.2.2 工作原理工作原理1. 工作原理工作原理以四相反应式步进电动机为例。定子有八个极，相对两极的绕组串联以四相反应式步进电动机为例。定子有八个极，相对两极的绕组串联成一相，构成四相；转子六个齿，齿宽等于定子极靴的宽度。成一相，构成四相；转子六个齿，齿宽等于定子极靴的宽度。 （a）A相通电（相通电（b）C相通电（相通电（c）B相通电（相通电（d）D相通电相通电图图4-2 四相单四拍运行四相单四

5、拍运行A相绕组通电，在磁相绕组通电，在磁阻转矩作用下，转子阻转矩作用下，转子齿齿1和和4的轴线与定的轴线与定子子A极轴线对齐；极轴线对齐；断开断开A相接通相接通C相，转子齿相，转子齿3和和6的轴线与的轴线与C极轴线对齐，转子逆时针方向极轴线对齐，转子逆时针方向转过转过15；断开；断开C相接通相接通B相，转子又转过相，转子又转过15；断开；断开B相接通相接通D相，转相，转子再转过子再转过15。经过一个通电循环转子转过一个。经过一个通电循环转子转过一个齿距角齿距角。 四相单四拍四相单四拍每次只接通一相绕组的四相供电方式称为四相单四拍。每次只接通一相绕组的四相供电方式称为四相单四拍。 四相双四拍四相

6、双四拍（图）每次同时接通两相绕组，如每次同时接通两相绕组，如ACCBBDDA，也是四拍一，也是四拍一个循环，则称为四相双四拍。个循环，则称为四相双四拍。双拍运行与单拍运行时步距角相同，产生的转矩一般会增加。双拍运行与单拍运行时步距角相同，产生的转矩一般会增加。 四相八拍四相八拍AACCCBBBDDDA。步距角变为原来的二分之一。步距角变为原来的二分之一。2. 运行方式运行方式 拍和步距角拍和步距角电机通电方式变换一次，称为一拍。每一拍转子所转过的角度，称为电机通电方式变换一次，称为一拍。每一拍转子所转过的角度，称为步距角步距角 。如何使步进电动机反转？4.2.2 工作原理工作原理（图）（图）如

7、如图转子上共有子上共有50个个齿，齿距角距角定子极距为定子极距为 个齿。个齿。3. 实用反应式步进电动机实用反应式步进电动机如何减小步距角？增加转子齿数，同时在定子极面上开槽，定、转子如何减小步距角？增加转子齿数，同时在定子极面上开槽，定、转子的齿形的齿形要要相同。相同。图图4-1 四相反应式步进电动机的结构四相反应式步进电动机的结构转子齿数应满足转子齿数应满足4.2.2 工作原理工作原理 四相单四拍运行四相单四拍运行通电方式为ACBD。A相绕组通电，转子齿轴线和定子磁极相绕组通电，转子齿轴线和定子磁极A上的齿轴线对齐；上的齿轴线对齐；断开断开A相接通相接通C相，在磁阻转矩作用下，转子顺时针方

8、向转过四分之一相，在磁阻转矩作用下，转子顺时针方向转过四分之一齿距角（齿距角（1.8），使转子齿轴线和定子磁极），使转子齿轴线和定子磁极C下的齿轴线对齐；下的齿轴线对齐； 。图4-4 A相通电时定、转子齿的相对位置 每换接一次绕组，转子就转过每换接一次绕组，转子就转过14齿距角。四步完成一个循环，转子齿距角。四步完成一个循环，转子转过转过7.2 4.2.2 工作原理工作原理 四相八拍运行四相八拍运行 通电方式为AACCCBBBDDDA。 A相绕组通电，转子齿轴线和定子磁极相绕组通电，转子齿轴线和定子磁极A上的齿轴线对齐；上的齿轴线对齐；图4-5 A、C两相通电时定、转子齿的相对位置A、C两相同

9、时通电时，转两相同时通电时，转子顺时针方向只转过子顺时针方向只转过1/8齿距角（齿距角（0.9）；）；。每换接一次绕组，转子就转每换接一次绕组，转子就转过过18齿距角。齿距角。 四相八拍运行时的步距角是四相四拍运行时的一半。四相八拍运行时的步距角是四相四拍运行时的一半。 四相双四拍运行四相双四拍运行通电方式为通电方式为ACCBBDDA。步距角与四相单四拍运行时一。步距角与四相单四拍运行时一样为样为1/4齿距角，即齿距角，即1.8。 4.2.2 工作原理工作原理基本特点基本特点1每相脉冲每相脉冲频率率 步进电机的系统框图步进电机的系统框图 脉冲电源脉冲电源环形分配器环形分配器放大器放大器步进电动

10、机步进电动机 图4-6 脉冲控制方框图 “环形分配器环形分配器”按给定规律分配输入脉冲。对于三相步进电动机，按给定规律分配输入脉冲。对于三相步进电动机，环环 形分配器是一路输入，三路输出。形分配器是一路输入，三路输出。 三相单三拍运行时，第一个电脉冲分给三相单三拍运行时，第一个电脉冲分给A相；第二个电脉冲分给相；第二个电脉冲分给B 相；第三个电脉冲分给相；第三个电脉冲分给C相，完成一个循环。相，完成一个循环。 三相双三拍运行时各相驱动信号波形图。三相双三拍运行时各相驱动信号波形图。图4-7 三相单三拍驱动信号波形图每个循环包含的通电状态数每个循环包含的通电状态数称为称为“拍数拍数”。拍数拍数可

11、等于可等于相数或相数的相数或相数的二倍二倍。每相脉冲每相脉冲频率率 每循每循环一次，控制一次，控制电脉冲的个数脉冲的个数总等于拍数等于拍数N，而加在每相而加在每相绕组上的脉冲上的脉冲电压的个数却等于的个数却等于1。若控制。若控制电脉冲脉冲频率率为 ，每相脉冲频率用，每相脉冲频率用 表示，则表示，则 4.2.2 工作原理工作原理在一个齿距内磁场变化一个周期，用电角度表示时，一个齿距就对应在一个齿距内磁场变化一个周期，用电角度表示时，一个齿距就对应360电角度（或电角度（或 电弧度电弧度)。用电角度（或电弧度）表示的齿距角。用电角度（或电弧度）表示的齿距角为为 。2步距角步距角每每输入一个脉冲入一

12、个脉冲电信号信号转子子转过的角度称的角度称为步距角，用符号步距角，用符号 表示。表示。步距角为步距角为（机械角度）（机械角度） N为运行拍数，为运行拍数， ，m为电机相数。为电机相数。 步距角与拍数步距角与拍数N及转子齿数及转子齿数Zt有关。减小步距角，可提高控制精度。有关。减小步距角，可提高控制精度。用电角度表示时，步距角为用电角度表示时，步距角为（电角度）（电角度） （电弧度）（电弧度） 或或 用电角度表示步距角时，步距角与转子齿数无关。用电角度表示步距角时，步距角与转子齿数无关。4.2.2 工作原理工作原理3转速转速n输入一个脉冲，转子转过整个圆周角的输入一个脉冲，转子转过整个圆周角的

13、，即转过，即转过 转。转。 所以转速为所以转速为 f 为控制脉冲的频率，即每秒输入的脉冲数。为控制脉冲的频率，即每秒输入的脉冲数。反应式步进电动机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，与电源电反应式步进电动机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，与电源电压、负载、温度等因素无关。改变脉冲频率可以改变转速，故可进行无压、负载、温度等因素无关。改变脉冲频率可以改变转速，故可进行无级调速。级调速。步进电动机的转速还可用步距角表示步进电动机的转速还可用步距角表示改变通电顺序，可以控制电机转向改变通电顺序，可以控制电机转向。4.2.2 工作原理工作原理4. 步进电动机具有自锁能力步进电动机具有自锁能力当

14、控制电脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继当控制电脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通入直流电时，则电机转子可以保持在固定的位置上，续通入直流电时，则电机转子可以保持在固定的位置上，即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上。这样，即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上。这样，步进电动机可以实现停转时转子定位。步进电动机可以实现停转时转子定位。4.2.2 工作原理工作原理规定定子、转子齿轴线重合的规定定子、转子齿轴线重合的位置为静态空载情况下的初始位置为静态空载情况下的初始稳定平衡位置，而转子偏离初稳定平衡位置，而转子偏离初始稳定平衡位置的电角度称为始稳定平衡位置的电角度称

15、为失调角失调角 。4.3 反应式步进电动机的静态特性反应式步进电动机的静态特性 静止状态静止状态步进电动机一相或几相通入恒定不变的直流电流，这时转子将固定步进电动机一相或几相通入恒定不变的直流电流，这时转子将固定于某一位置上保持不动，称为静止状态。于某一位置上保持不动，称为静止状态。 失调角失调角 图4-9 初始平衡位置与失调角在静止状在静止状态下，下，电磁磁转矩与失矩与失调角之角之间的函数关系的函数关系 ，称为，称为步进电动机的矩角特性。步进电动机的矩角特性。 静态特性静态特性 单相通电时，通电相极下所有齿都产生转矩，由于同一相极下所有定单相通电时，通电相极下所有齿都产生转矩，由于同一相极下

16、所有定子齿和转子齿相对应的位置都相同，因而电机总转矩为通电相极下各子齿和转子齿相对应的位置都相同，因而电机总转矩为通电相极下各定子齿所产生转矩之和。定子齿所产生转矩之和。4.3.1 静态转矩静态转矩TA相通电时，有相通电时，有在在dt时间内输入的电能为时间内输入的电能为4.3 反应式步进电动机的静态特性反应式步进电动机的静态特性式中第一部分式中第一部分 为电阻损耗；第二部分为电阻损耗；第二部分 为磁场储能，是为磁场储能，是电机对外做功的能源。电机对外做功的能源。电磁转矩电磁转矩T驱使转子转过偏转角驱使转子转过偏转角 时，步进电动机对外输出的机械能时，步进电动机对外输出的机械能 ，从能量平衡关系

17、，从能量平衡关系 即静态转矩为即静态转矩为在线性系统中在线性系统中若控制绕组中的电流若控制绕组中的电流I为常数，每相控制绕组是两个极上绕组串接而成，为常数，每相控制绕组是两个极上绕组串接而成，且每极绕组的匝数为且每极绕组的匝数为N，则，则 4.3.1 静态转矩静态转矩 为每极控制绕组的磁动势；为每极控制绕组的磁动势； 为转子齿数；为转子齿数； 为气隙磁导为气隙磁导对失调角的变化率。对失调角的变化率。 气隙磁导气隙磁导 可表示为可表示为 为气隙比磁导；为气隙比磁导； 为定子每极下的小齿数；为定子每极下的小齿数； 为铁心长度。为铁心长度。 图4-10 气隙比磁导定义图4.3.1 静态转矩静态转矩气

18、隙比磁导的大小和齿的形状、齿宽与齿距之比、气隙与齿距之比及气隙比磁导的大小和齿的形状、齿宽与齿距之比、气隙与齿距之比及齿部的饱和度有关，且是失调角的周期性函数，其周期为齿距齿部的饱和度有关，且是失调角的周期性函数，其周期为齿距 。用。用傅氏级数表示为傅氏级数表示为 忽略高次谐波影响影响时，气隙比磁导为忽略高次谐波影响影响时，气隙比磁导为由此可得由此可得静态转矩静态转矩T是失调角是失调角 的正弦函数，它的作用总是使转子位置趋向于的正弦函数，它的作用总是使转子位置趋向于失调角为零；在结构一定且磁路不饱和的条件下静态转矩的大小与失调角为零；在结构一定且磁路不饱和的条件下静态转矩的大小与I2成正比。成

19、正比。 4.3.1 静态转矩静态转矩 为为最大静转矩最大静转矩。最大静转矩直接影响步进电动最大静转矩直接影响步进电动机的负载的能力和性能，是重机的负载的能力和性能，是重要的性能指标之一。要的性能指标之一。4.3.2 矩角特性矩角特性矩角特性是控制绕组通电状态不变时，电磁转矩与转子偏转角的关矩角特性是控制绕组通电状态不变时，电磁转矩与转子偏转角的关系，即静态转矩与失调角的关系系，即静态转矩与失调角的关系 。 1. 单相控制的矩角特性单相控制的矩角特性图4-11 单相控制的矩角特性2. 多相通电时的矩角特性多相通电时的矩角特性一般来说，多相通电时的矩角特性以及最大静态转矩与单相通电一般来说，多相通

20、电时的矩角特性以及最大静态转矩与单相通电时不同。多相通电时的矩角特性时不同。多相通电时的矩角特性可可近似地由每相各自通电时的矩近似地由每相各自通电时的矩角特性叠加起来求出。角特性叠加起来求出。三相步进电动机当两相通电时（如三相步进电动机当两相通电时（如A、B两相）的矩角特性两相）的矩角特性图4-12 A相、B相定子齿相对转子齿的位置设设A通电时，距角特性为通电时，距角特性为则则B通电时，距角特性为通电时，距角特性为4.3.2 矩角特性矩角特性当当A、B两相同时通电时合成矩角特性应为两相同时通电时合成矩角特性应为 （a） 矩角特性矩角特性 （b）转矩矢量图）转矩矢量图 图图4-13 三相步进电动

21、机单相、两相通电时的转矩三相步进电动机单相、两相通电时的转矩它是一条幅值不变、相移它是一条幅值不变、相移60的正弦曲线。的正弦曲线。4.3.2 矩角特性矩角特性五相步进电机的单相、二相、三相通电时矩角特性五相步进电机的单相、二相、三相通电时矩角特性 图4-l4 五相步进电动机单相、二相、三相通电时的矩角特性 图4-15 五相步进电动机转矩矢量图 二相和三相通电时矩角特性相对二相和三相通电时矩角特性相对A相矩角特性分别移动了相矩角特性分别移动了36和和72，静态转矩最大值两者相等。因此，五相步进电动机可采用二相三相运静态转矩最大值两者相等。因此，五相步进电动机可采用二相三相运行方式行方式 。 4

22、.3.2 矩角特性矩角特性 m相电机，相电机，n相同时通电时的矩角特性相同时通电时的矩角特性 n相同时通电时 为单拍制运行方式时的步距角；4.3.2 矩角特性矩角特性例如五相步进电动机两相通电时转矩最大值为例如五相步进电动机两相通电时转矩最大值为三相通电时转矩最大值为三相通电时转矩最大值为应当注意，最大静态转矩应当注意，最大静态转矩 与控制与控制绕组中电流的平方成正比，其前提绕组中电流的平方成正比，其前提条件是磁路不饱和，实际上当电流条件是磁路不饱和，实际上当电流达到一定数值后，磁路开始饱和，达到一定数值后，磁路开始饱和，正比关系被破坏，随正比关系被破坏，随I增大，增大， 增增大得越来越慢。大

23、得越来越慢。图4-l6 最大静态转矩与控制电流的关系4.3.2 矩角特性矩角特性不稳定平衡点不稳定平衡点 在在 ，虽然也，虽然也有有 ，但，但 或或 后，后，静态转矩与静态转矩与 的方向一致，驱使转的方向一致，驱使转子背离稳定平衡点，故子背离稳定平衡点，故 的的位置称为不稳定平衡点。位置称为不稳定平衡点。 稳定平衡点稳定平衡点 当当 时，时， ，该位置，该位置称为稳定平衡点。称为稳定平衡点。 静稳定区静稳定区 在在 区间内，区间内， 与与 方向相反，方向相反， 总是阻止总是阻止 变变化，若由于外力矩使转子偏离稳定平衡点，只要在上述范围内，一化，若由于外力矩使转子偏离稳定平衡点，只要在上述范围内

24、，一旦去掉外力，转子就能在静态转矩的作用下返回到稳定平衡点。区旦去掉外力，转子就能在静态转矩的作用下返回到稳定平衡点。区间间 称为静稳定区。称为静稳定区。 4.3.3 静稳定区静稳定区4.4 反应式步进电动机的动态特性反应式步进电动机的动态特性动态特性是指脉冲电压按一定的分配方式加到各控制绕组动态特性是指脉冲电压按一定的分配方式加到各控制绕组上，步进电动机所具有的特性。脉冲频率不同，步进电动上，步进电动机所具有的特性。脉冲频率不同，步进电动机的运行性能也不同。机的运行性能也不同。分为三个区段分析：分为三个区段分析： 脉冲频率极低的步进运行脉冲频率极低的步进运行 高频率脉冲的连续运行高频率脉冲的

25、连续运行 介于上述两段脉冲频率之间的运行介于上述两段脉冲频率之间的运行当步进电动机处于矩角特性曲线当步进电动机处于矩角特性曲线“n”所对应所对应的稳定状态时，输入一个脉冲，使其控制绕组的稳定状态时，输入一个脉冲，使其控制绕组改变通电状态，矩角特性向前跃移一个步距角改变通电状态，矩角特性向前跃移一个步距角 ，稳定平衡点也由，稳定平衡点也由0变为变为 ，相对应的静稳定，相对应的静稳定区为区为 。在改变通电状态。在改变通电状态时，只有当转子起始位置在此区间，才能使它时，只有当转子起始位置在此区间，才能使它向向 点运动，达到该稳定平衡位置。因此把区点运动，达到该稳定平衡位置。因此把区域域 称称 为动稳

26、定区。为动稳定区。1. 动稳定区和稳定裕度动稳定区和稳定裕度动稳定区动稳定区 是指步进电动机从一种通电状态切换到另一种通电状态，是指步进电动机从一种通电状态切换到另一种通电状态，不至引起失步的区域。不至引起失步的区域。 4.4.1 步进运行状态时的动态特性步进运行状态时的动态特性控制电脉冲的间隔时间大于步进电动机过渡过程所需的时间，称为步控制电脉冲的间隔时间大于步进电动机过渡过程所需的时间，称为步进运行状态。进运行状态。稳定裕度稳定裕度 把矩角特性曲线把矩角特性曲线“n”的稳定平衡点的稳定平衡点0离开曲线离开曲线(n+1)的不的不稳定平衡点的距离稳定平衡点的距离 ，称为，称为“稳定裕度稳定裕度

27、”。 稳定裕度为稳定裕度为 为单拍制运行时的步距角。为单拍制运行时的步距角。可见，反应式步进电动机的相数必须大于可见，反应式步进电动机的相数必须大于2。4.4.1 步进运行状态时的动态特性步进运行状态时的动态特性2. 最大负载能力（起动转矩）最大负载能力（起动转矩）步进电动机在步进运行时所能带动的最大负载，可由相邻两条矩角特性步进电动机在步进运行时所能带动的最大负载，可由相邻两条矩角特性交点所对应的电磁转矩交点所对应的电磁转矩 来确定。来确定。图4-18 最大负载能力的确定情况情况1：负载转矩负载转矩 时，时，A相相通电时，转子处于通电时，转子处于a点；改由点；改由B相相通电时，转子稳定后位于

28、通电时，转子稳定后位于b点，前点，前进一步。进一步。情况情况2：负载转矩负载转矩 时，时，A相相通电时，转子处于通电时，转子处于a”点；改由点；改由B相通电时，转子不能前进。相通电时，转子不能前进。若矩角特性为幅值相同的正弦波，则若矩角特性为幅值相同的正弦波，则只有拍数只有拍数N 2时，起，起动转矩矩 大于大于零。零。 4.4.1 步进运行状态时的动态特性步进运行状态时的动态特性自由振荡过程自由振荡过程 绕组由绕组由A相通电到相通电到B相通电后，转子在电磁转矩作用相通电后，转子在电磁转矩作用下，转子位置由下，转子位置由 O(a) b c a b c3. 转子的自由振荡过程转子的自由振荡过程步进

29、电动机在步进运行状态，转子是经过一个振荡过程后才稳定在平步进电动机在步进运行状态，转子是经过一个振荡过程后才稳定在平衡位置的。衡位置的。 （a） 示意图 （b） 振荡曲线 图4-1 9 无阻尼时转子的自由振荡A相通电，转子处于相通电，转子处于失调角失调角 的位置，的位置，对应于原点对应于原点O；换接；换接到到B相通电，稳定后相通电，稳定后转子在转子在 的的b点。点。4.4.1 步进运行状态时的动态特性步进运行状态时的动态特性自由振自由振荡角角频率率 与振荡的幅值有关。当拍数很大、步距角很小时，与振荡的幅值有关。当拍数很大、步距角很小时，振荡的振幅就很小振荡的振幅就很小, 这时振荡的角频率称为固

30、有振荡角频率，用这时振荡的角频率称为固有振荡角频率，用 表表示，理论上可以证明固有振荡角频率为示，理论上可以证明固有振荡角频率为 图4-20 与振荡的幅值的关系自由振自由振荡的幅的幅值、频率和周期率和周期 自由振自由振荡的幅的幅值为步距角步距角 。若振荡若振荡角频率用角频率用 表示，相应的振荡频率和周期为表示，相应的振荡频率和周期为，随着拍数减少，步距角增大，自随着拍数减少，步距角增大，自由振荡的振幅也增大，自由振荡由振荡的振幅也增大，自由振荡频率就降低。频率就降低。 比值与振荡的比值与振荡的幅值（即步距角）的关系如图幅值（即步距角）的关系如图4-20所示。所示。 4.4.1 步进运行状态时的

31、动态特性步进运行状态时的动态特性衰减振荡衰减振荡 由于轴上的摩擦，风阻及内部电阻尼等存在，单步运动由于轴上的摩擦，风阻及内部电阻尼等存在，单步运动时转子环绕平衡位置的振荡过程总是衰减的。阻尼作用越大，衰减时转子环绕平衡位置的振荡过程总是衰减的。阻尼作用越大，衰减得越快，最后仍稳定于平衡位置附近。得越快，最后仍稳定于平衡位置附近。必须指出，单步运行时所产生必须指出，单步运行时所产生的振荡现象对步进电动机的运的振荡现象对步进电动机的运行是很不利的，它影响了系统行是很不利的，它影响了系统的精度，带来了振动及噪音。的精度，带来了振动及噪音。严重时甚至使转子丢步。为了严重时甚至使转子丢步。为了使转子振荡

32、衰减得快，在步进使转子振荡衰减得快，在步进电动机中往往专门设置了特殊电动机中往往专门设置了特殊的阻尼器。的阻尼器。图4-21 阻尼时转子的衰减振荡4.4.1 步进运行状态时的动态特性步进运行状态时的动态特性 在分析静在分析静态矩角特性矩角特性时得最大静得最大静转矩矩 ，在分析步，在分析步进运行时又得到最大负载能力进运行时又得到最大负载能力 。 4.4.2 连续运行状态时的动态特性连续运行状态时的动态特性当步进电动机在输入脉冲频率当步进电动机在输入脉冲频率f较高，其周期比转子振荡过渡过程时间较高，其周期比转子振荡过渡过程时间还短时，转子作连续的旋转运动，这种运行状态称作连续运行状态。还短时，转子

33、作连续的旋转运动，这种运行状态称作连续运行状态。1. 动态转矩动态转矩步进电动机在连续运行状态所产生的电磁转矩称为动态转矩。步进电动机在连续运行状态所产生的电磁转矩称为动态转矩。 当控制脉冲频率达到一定数值之后，频率再升高，由于定子绕组电当控制脉冲频率达到一定数值之后，频率再升高，由于定子绕组电感的影响，绕组电流的波形由低频时的近似矩形波变为高频时的近感的影响，绕组电流的波形由低频时的近似矩形波变为高频时的近似三角波，其幅值和平均值都较小，使动态转矩大大下降，负载能似三角波，其幅值和平均值都较小，使动态转矩大大下降，负载能力降低。力降低。不同控制频率时的电流波形不同控制频率时的电流波形此外，控

34、制脉冲频率升高时，铁心中涡流增加，使动态转矩下降。此外，控制脉冲频率升高时，铁心中涡流增加，使动态转矩下降。2. 运行矩频特性运行矩频特性当控制脉冲频率达到一定数值之后，再增加频率，由于电感和涡流作当控制脉冲频率达到一定数值之后，再增加频率，由于电感和涡流作用使动态转矩减小。可见，动态转矩是电源脉冲频率的函数，把这种用使动态转矩减小。可见，动态转矩是电源脉冲频率的函数，把这种函数关系称为步进电动机运行时的转矩函数关系称为步进电动机运行时的转矩-频率特性，简称为运行矩频特频率特性，简称为运行矩频特性。性。矩频特性表明，在一定控制脉冲频率范围矩频特性表明，在一定控制脉冲频率范围内，随频率升高，电机

35、的功率和转速都相内，随频率升高，电机的功率和转速都相应地提高，超出该范围则随频率升高转矩应地提高，超出该范围则随频率升高转矩下降，步进电动机带负载的能力也逐渐下下降，步进电动机带负载的能力也逐渐下降，到某一频率以后，就带不动任何负载，降，到某一频率以后，就带不动任何负载，而且只要受到一个很小的扰动，就会振荡、而且只要受到一个很小的扰动，就会振荡、失步以至停转。失步以至停转。 图4-22 运行矩频特性 4.4.2 连续运行状态时的动态特性连续运行状态时的动态特性 。例如，步。例如，步进电动机机70BF03，其空，其空载运行运行频率，率， Hz额定定负载运行运行频率率为 Hz。最高连续运行频率是步

36、进电动机的。最高连续运行频率是步进电动机的重要技术指标。重要技术指标。最高最高连续运行运行频率与率与负载的大小有关，一般分空的大小有关，一般分空载运行运行频率率， 和额定和额定负载运行频率负载运行频率 。3. 最高连续运行频率最高连续运行频率当控制电源的脉冲频率连续提高时，在一定性质和大小的负载下，步当控制电源的脉冲频率连续提高时，在一定性质和大小的负载下，步进电动机能正常连续运行时（不丢步、不失步）所能加到的最高频率进电动机能正常连续运行时（不丢步、不失步）所能加到的最高频率称为称为最高连续运行频率最高连续运行频率或最高跟踪频率。或最高跟踪频率。 4.4.2 连续运行状态时的动态特性连续运行

37、状态时的动态特性4. 低频共振和低频丢步现象低频共振和低频丢步现象低频丢步现象低频丢步现象 是指步进电动机在低频运行时，转子运动步数少于是指步进电动机在低频运行时，转子运动步数少于给定脉冲数的现象。给定脉冲数的现象。 是否丢步与下一脉冲到来时转子的位置有关。不同脉冲频率时是否丢步与下一脉冲到来时转子的位置有关。不同脉冲频率时转子的位置如图转子的位置如图4-23所示。所示。图4-23 不同脉冲周期的转子位置4.4.2 连续运行状态时的动态特性连续运行状态时的动态特性低频丢步的物理过程低频丢步的物理过程 以三相步进电动机为例。以三相步进电动机为例。 正常情况正常情况 A a0B b0C c0丢步情

38、况丢步情况A a0经经BCA三个脉三个脉冲后转子仍在冲后转子仍在a0点，丢点，丢3步。步。图4-24 步进电动机的低频丢步如果阻尼作用比较强，如果阻尼作用比较强，那么电机振荡衰减得那么电机振荡衰减得比较快，转子振荡回比较快，转子振荡回摆的幅值就比较小，摆的幅值就比较小，转子对应于转子对应于R点的位点的位置如果处在动稳定区置如果处在动稳定区之内，电磁转矩就是之内，电磁转矩就是正的，电机就不会失正的，电机就不会失步。步。另外拍数越多，步距角另外拍数越多，步距角越小，动稳定区接近静稳定区，这样也可以消除越小，动稳定区接近静稳定区，这样也可以消除低频失步。低频失步。4.4.2 连续运行状态时的动态特性

39、连续运行状态时的动态特性低频共振现象低频共振现象 当控制脉冲频率等于转子振荡频率的当控制脉冲频率等于转子振荡频率的1K倍时，如倍时，如果阻尼作用不强，即使电机不发生低频失步，也会产生强烈振动，果阻尼作用不强，即使电机不发生低频失步，也会产生强烈振动，这就是步进电机低频共振现象。这就是步进电机低频共振现象。图图4-25表示表示K=2时转子的转子运动时转子的转子运动规律，可见具有明显的振荡特性。规律，可见具有明显的振荡特性。共振时，电机就会出现强烈振动，共振时，电机就会出现强烈振动，甚至失步而无法工作，所以一般不甚至失步而无法工作，所以一般不容许电机在共振频率下运行。容许电机在共振频率下运行。如果

40、采用较多拍数，再加上一定的如果采用较多拍数，再加上一定的阻尼和干摩擦负载，电机振动的振阻尼和干摩擦负载，电机振动的振幅可以减小，并能稳定运行。幅可以减小，并能稳定运行。图4-25 低频共振时的转子运动规律4.4.2 连续运行状态时的动态特性连续运行状态时的动态特性5. 高频振荡高频振荡是指脉冲电压的频率达到相当高时，电机出现明显的振荡现象。如果脉冲频率快速越过这一频段达到更高值时，电动机仍能继续稳定运行。高频振荡的原因是由于步进电动机定、转子上有齿槽存在，转子旋转过程中在控制绕组中感应一个交变电动势和交流电流，产生一个对转子运动起制动作用的电磁转矩。该转矩将随着转速的上升而下降，即具有负阻尼性

41、质，因而使转子的运动有产生自发振荡的性质。在严重的情况下，电动机要失步甚至停转。步进电动机铁心表面的附加损耗和转子对空气的摩擦损耗等形成阻尼转矩，它随着转速的升高而增大，若与电磁阻尼转矩配合恰当，则电机总的内阻尼转矩特性可能不出现负阻尼区，高频振荡现象也就不会出现。4.4.2 连续运行状态时的动态特性连续运行状态时的动态特性步进电动机的起动性能用起动矩频特性、起动惯频特性和起动频率来描述。1. 起动矩频特性起动矩频特性起动矩频特性起动矩频特性 在给定驱动电源的条件下，负载转动惯量一定时，起动频率 与负载转矩 的函数关系 ，称作起动矩频特性。 图4-26 起动矩频特性转动惯量一定时，随着负载的增

42、加，其起动频率是下降的。4.4.3 步进电动机的起动特性步进电动机的起动特性2. 起动惯频特性起动惯频特性起动惯频特性起动惯频特性 在给定驱动电源的条件下，负载转矩不变时，起动频率 与负载转动惯量 的函数关系 ，称作起动惯频特性。负载转矩不变时，随着转动惯量的增加，起动频率也是下降的。图4-27 起动惯频特性4.4.3 步进电动机的起动特性步进电动机的起动特性3. 起动频率起动频率电机正常起动时（不丢步、不失步）所能加的最高控制频率称为起动起动频率或突跳频率频率或突跳频率。起动频率与负载大小有关，因而指标分空载起动频率 和负载起动频率 。 比 低得多。例如，70BF03步进电动机， Hz，在0

43、.1176 N.m的负载下起动频率 Hz。 增大电动机的动态转矩；提高起动频率的措施提高起动频率的措施 减小转动部分的转动惯量； 增加拍数，减小步距角。4.4.3 步进电动机的起动特性步进电动机的起动特性4.5 步进电动机的其它类型及主要性能指标步进电动机的其它类型及主要性能指标4.5.1 步进电动机的其它类型步进电动机的其它类型1. 多段反应式步进电动机多段反应式步进电动机结构结构 轴向磁路多段式步进电动机的结构如图4-28所示。定、转子铁心均沿电机轴向按相数分段，每一组定子铁心放置一相环形的控制绕组。定、转子圆周上冲有形状和数量相同的小齿。定子铁心（或转子铁心）每相邻两段错开1/m齿距。特

44、点特点 定子空间利用率较好，环形控制绕组绕制较方便；转子的惯量较低；步距角也可以做得较小，起动和运行频率较高。但是在制造时，铁心分段和错位工艺较复杂，精度不易保证。 图4-28 多段式轴向磁路反应式步进电动机 1-线圈；2-定子；3-转子；4-引线4.5.1 步进电动机的其它类型步进电动机的其它类型结构结构 永磁式步进电动机定子上有两相或多相绕组，转子为一对或几对极的星形磁钢，转子的极数与定子每相的极数相同。2. 永磁式步进电动机永磁式步进电动机图4-29 永磁式步进电动机工作原理工作原理 当定子绕组按AB(-A)(-B) 轮流通直流脉冲时，转子依次转过45，一个循环转过180，步距角为45。

45、特点特点 步距角大；起动频率较低；控制功率小；在断电情况下有定位转矩；有强的内阻尼力矩；要求电源供给正负脉冲，使电源的变得复杂。结构结构 两相感应子式永磁步进电动机的定子结构与单段反应式步进电动机相同，1、3、5、7极上的控制绕组串联为A相，2、4、6、8极上的控制绕组串联为B相。转子是由环形磁铁和两端铁心组成。两端转子铁心上沿外圆周开有小齿，两端铁心上的小齿彼此错过1/2齿距。定、转子齿数的配合与单段反应式步进电动机相同。3. 感应子式永磁步进电动机感应子式永磁步进电动机图4-30 感应子式永磁步进电动机4.5.1 步进电动机的其它类型步进电动机的其它类型工作原理工作原理 转子磁钢充磁后，A

46、端为N极，B端为S极； A相通电时，定子1、3、5、7极上的极性为N、S、N、S。定子磁极1和5上的齿在A端则与转子槽对齐，磁极3和7上的齿与A端上的转子齿对齐； B相通电时，由于B相四个极（2、4、6、8极）上的齿与转子齿都错开1/4齿距，转子前进1/4齿距； 由于定子同一个极的两端极性相同，转子两端极性相反，但错开半个齿距，所以当转子偏离平衡位置时，两端作用转矩的方向是一致的。4.5.1 步进电动机的其它类型步进电动机的其它类型或 （电角度）当定子各相绕组按顺序通以直流脉冲时，其步距角为（机械角）特点特点 步距角小；起动和运行频率高；效率高；具有定位转矩。兼有反应式和永磁式步进电动机两者的

47、优点。 但是它需要有正、负电脉冲供电，并且在制造时比较复杂。4.5.1 步进电动机的其它类型步进电动机的其它类型4. 直线和平面式步进电动机直线和平面式步进电动机在控制脉冲作用下，直线步进电动机做直线运动，平面步进电动机做平面运动。直线步进电动机直线步进电动机定子：形极片；永久磁铁； 控制绕组。动子：软磁材料开槽。位置关系：a和c间为1.5t a和a间为kt a和d间为（k+1/4）t 图4-31 直线步进电动机1-永久磁铁；2- 形极片；3-控制绕组4.5.1 步进电动机的其它类型步进电动机的其它类型A相正向通电相正向通电 中磁通加强， 中磁通削弱 转子位置如图a）；B相正向通电相正向通电

48、中磁通加强， 中磁通削弱 转子位置如图b）；A相反向通电相反向通电 中磁通加强， 中磁通削弱 转子位置如图c）；B相反向通电相反向通电 中磁通加强， 中磁通削弱 转子位置如图d）；图4-31 直线步进电动机1-永久磁铁；2- 形极片；3-控制绕组要使动子向左移动，将上述四个阶段的通电顺序倒过来即可。4.5.1 步进电动机的其它类型步进电动机的其它类型平面步进电动机平面步进电动机 平面式步进电动机可看作是两个直线步进电动机的组合。定子为一块平板，其上开有X轴和Y轴方向的齿槽。定子齿排成方格形，槽中注入环氧树脂；动子由两台上述这样的直线步进电动机组成。它们分别保证动子沿互相垂直的X轴和Y轴移动。这

49、样，只要设计适当的控制程序，借以产生一定的脉冲信号，就可以使动子在XY平面上作任意几何轨迹的运动，并定位在平面上任何一点。图4-32平面步进电动机1-平台；2-磁钢；3-磁极平面步进电动机采用气垫装置，将动子支承起来，使动子移动时，不与定子直接接触，因而无摩擦，且惯性小、噪音低、可快速移动。4.5.1 步进电动机的其它类型步进电动机的其它类型4.5.2 步进电动机的主要性能指标步进电动机的主要性能指标1.最大静转矩最大静转矩 最大静转矩 是指在规定的通电相数下矩角特性上的转矩最大值。通常在技术数据中所规定的最大静转矩是指一相绕组通上额定电流时的最大转矩值。 按最大静转矩的大小可把步进电动机分为

50、伺服步进电动机和功率步进电动机。伺服步进电动机的输出转矩较小，有时需要经过液压力矩放大器或伺服功率放大系统放大后再去带动负载。而功率步进电动机可直接带动负载，使系统简化，传动精度提高。2. 步距角步距角 步距角 是指输入一个电脉冲转子转过的角度。步距角的大小直接影响步进电动机的起动频率和运行频率。相同尺寸的步进电动机，步距角小的起动、运行频率较高。 3. 静态步距角误差静态步距角误差静态步距角误差静态步距角误差 是指实际步距角与理论步距角之间的差值，常用理论步距角的百分数或绝对值来表示。4. 起动频率和起动频率特性起动频率和起动频率特性起动频率起动频率 是指步进电动机能够不失步起动的最高脉冲频

51、率。技术数据中给出空载和负载起动频率。实际使用时，大多是在负载情况下起动，所以又给出起动的矩频特性，以便确定负载起动频率。5. 运行频率和运行矩频特性运行频率和运行矩频特性运行频率运行频率 是指步进电动机起动后，控制脉冲频率连续上升而不失步的最高频率。通常在技术数据中也给出空载和负载运行频率，运行频率的高低与负载阻转矩的大小有关，所以又给出了运行矩频特性。4.5.2 步进电动机的主要性能指标步进电动机的主要性能指标4.6步进电动机的驱动电源步进电动机的驱动电源步进电动机及其驱动电源是一个相互联系的整体。步进电动机的运行性能是由电动机和驱动电源两者配合所反映出来的综合效果。步进电动机的驱动电源，

52、基本上包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲放大器三个部分。 图4-33 步进电动机驱动电源方框图按脉冲的供电方式来分有：单一电压型电源；高、低压切换型电源；电流控制的高、低压切换型电源；细分电路电源等。着重介绍常用的单一电压型和高、低压切换型两种电源。1. 单一电压型驱动电源单一电压型驱动电源单一电压型电源是最简单的驱动电源，其原理电路如图4-34所示。 为高电平时VT1导通，绕组通电； 为低电平时VT1关断，绕组断电。图4-34 单一电压型驱动电源 作用作用 减小电路的时间常数 ，这样可增大动态转矩，提高起动和连续运行频率，并使起动和运行矩频特性下降缓慢。C的作用的作用 可强迫控制电流加快上升，

53、使电流波形前沿更陡，改善波形。VD1和和 的作用的作用 形成放电回路，限制功率管VT1上的电压，保护功率管。 单一电压型电源线路简单、功放元件少、成本低，但效率较低。4.6步进电动机的驱动电源步进电动机的驱动电源2. 高、低压切换型驱动电源高、低压切换型驱动电源高、低压切换型电源，其原理电路如图4-35所示。步进电动机的每一相控制绕组需要有两只功率元件串联，它们分别由高压和低压两种不同的电源供电。图4-35 高、低压切换型驱动电源 高压供电是用来加速电流的上升速度，改善电流波形的前沿，而低压是用来维持稳定的电流值。 的作用调节控制绕组的电流值，使各相电流平衡。 VD2及 作用是构成续流电路。

54、这种电源效率较高，起动和运行频率也比单一电压型电源要高。 4.6步进电动机的驱动电源步进电动机的驱动电源3. 电流控制的高、低压切换电源电流控制的高、低压切换电源带有连续电流检测的高、低压驱动电源是在高、低压切换型电源的基础上，多加了一个电流检测控制线路，使高压部分的电流断续加入，以补偿因控制绕组的旋转电动势和相间互感等原因所引起的电流波顶下凹造成的转矩下降。它是根据主回路电流的变化情况，反复地接通和关断高压电源，使电流波顶维持在需求的范围内，步进电动机的运行性能得到了显著的提高，相应使起动和运行频率升高。因在线路中增加了电流反馈环节，使其结构较为复杂，成本提高。 4.6步进电动机的驱动电源步

55、进电动机的驱动电源4. 步进电动机驱动电源实例步进电动机驱动电源实例下面以LQ-1500打印机字车步进电动机驱动电源及控制线路为例，说明步进电动机在实际工作中的应用。打印机在打印前必须把打印头移动到要求开始打印的点上，在打印不同字体的字符时，又要求打印头以不同的速度沿着打印纸做出水平移动。这些操作都由主CPUZ80通过从CPU 8042（11 D）控制和驱动字车步进电动机，带动齿轮、齿皮带及机头小车等传动机构来完成的。（1）系统的组成 8042是INTEL公司的通用外围接口（UPI）8位微处理器 13C（PA79C）是一种达林顿电路堆，具有很高的电流放大系数。 STK6982是一种专门用于驱动

56、步进电动机的集成电路。 字车步进电动机，有LA、LB、LC、LD四个控制绕组。 4.6步进电动机的驱动电源步进电动机的驱动电源（2）过程分析）过程分析驱动驱动 以A、B两相为例。开始8042的P21高电平4脚低电平5脚高电平线圈LA通电，回路为VP（+24V）12LA48R1GP（-）；与此同时，线圈LB无电流通过。反之，若8042的P21线输出低电平，线圈LB 通电而线圈LA无电流通过。 C、D两相和A、B两相类似，由8042的P20来控制它们的导通，STK6982中的TR8驱动线圈LC，TR7驱动线圈LD。限流限流 在LQ-1500打印机中，步进电动机每相控制绕组的直流电阻仅4左右，若不加

57、限制，驱动电流可达6 A，要求工作电流应控制在(0.50.9)A之间。4.6步进电动机的驱动电源步进电动机的驱动电源 电流上升回路为VP（+24V）12LA48R1GP（-），电流以最大值为6A的趋势快速上升。 电流下降回路变为VP56电阻D33LA48R1GP（-），此时线圈LA中的电流下降。 线圈LA中的电流限制在0.5A到0.9A之间。保持保持 当步进电动机处于锁定时，它要求的力矩较小，因此可降低线圈中的电流。这时8042就在P22端送出一个高电平到STK6982的引脚HOLD端，即保持端。回路为VP56电阻D33LA48R1GP（-），线圈LA中的电流在0.2 A左右。 这里采用了大电流运行，小电流保持的工作方式，当步进电动机运行时，必须先撤销这个保持信号。4.6步进电动机的驱动电源步进电动机的驱动电源四相单四拍四相单四拍A C B D四相双四拍四相双四拍ACCB BD DA 四相单八拍四相单八拍 A AC C CB B BD D DA 图4-30 感应子式永磁步进电动机图4-31 直线步进电动机1-永久磁铁；2- 形极片；3-控制绕组图4-36 字车步进电动机驱动电路 图 4-37 STK6982