第六章 步进电机

二、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： A→AB→B→BC→C→CA→A 共六拍。 → → → → → → 共六拍。 工作过程： 工作过程：
A
B' 4 1 2 3 A'
C' B
C
A相通电，转子1、3齿和A相对齐。 相通电，转子1 相对齐。 相通电 齿和 相对齐
A、B相同时通电 、 相同时通电
定子磁极
A
控制绕组
B
定子
永磁转子
N S N S
永磁式步进电机剖面图
混合式步进电机
3）感应子式(混合式)： 开小齿，混合反应式与永磁式优点： 感应子式(混合式) 开小齿，混合反应式与永磁式优点： 转矩大、动态性能好、步距角小。 转矩大、动态性能好、步距角小。
B 定子 A 定子绕组 转子 N N 永磁体 B' A' 混合式步进电机 S S
A
B'
C' B
A'
C
（1）BB' 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使 ） 、 齿有磁拉力， 转子顺时针方向转动。 转子顺时针方向转动。 磁场继续对1、 齿有拉力 齿有拉力。 （2）AA' 磁场继续对 、3齿有拉力。 ） 所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对 所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA' 通电，转子转了15° 通电，转子转了 °。
δ=αL/360i
1、k=6/3=2 、 á= 360/mzk =360/3×80×2=0.75。 × × 2、I=Z2/Z1=αL/360δ=0.75×6/360×0.01=2/1 、 α δ × × 可选Z 可选 1=20，Z2=40，模数 ， ，模数=1.5的齿轮传动副 的齿轮传动副
三相反应式步进电动机，转子80个齿 个齿。 例：三相反应式步进电动机，转子 个齿。 (1)要求电动机转速为 要求电动机转速为60r/min,单双拍制通电，输入脉 单双拍制通电， 要求电动机转速为 单双拍制通电 冲频率为多少? 冲频率为多少 (2)要求电动机转速为 要求电动机转速为100r/min，单拍制通电，输入脉 要求电动机转速为 ，单拍制通电， 冲频率为多少? 冲频率为多少
以反应式为例说明步进电机的结构和原理
反应式步进电机
1）反应式：转子无绕组，定转子开小齿、步距小。 反应式：转子无绕组，定转子开小齿、步距小。 应用最广。 应用最广。 A
B' C'
C A'
B
三相反应式步进电机剖面图
永磁式步进电机
2）永磁式：转子的极数=每相定子极数，不开小齿，步距角 永磁式：转子的极数=每相定子极数，不开小齿， 较大，力矩较大。 较大，力矩较大。
θe
−π
−
π
3
o
π
3
2π 3
π
2 Tm =− jmxs ( e − π) T a inθ e B 3
2 Tm =− jmxs ( e + π) T a inθ e C 3
三相反应式步进电机矩角特性曲线族
步进电机特点
（1）步进电动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 ）步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次， 角度， 步距角； 角度，即步距角； 定子绕组的通电顺序， 旋转方向随之改变 （2）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变； ）改变步进电动机定子绕组的通电顺序 转子的旋转方向随之改变； （3）步进电动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， ）步进电动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； 频率越高 转速越高 即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高； 有关， （4）步进电动机步距角与定子绕组的相数 、转子的齿数 、通电方式 有关， ）步进电动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 可用下式表示： 可用下式表示： α= 360/mzk 式中m相 拍时 拍时， 拍时， 式中 相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2。 ； 相 拍时 。 对于图6-1所示的单定子 径向分相、反应式步进电动机， 所示的单定子、 对于图 所示的单定子、径向分相、反应式步进电动机，当它以三相三拍通电 方式工作时，其步距角为α 方式工作时，其步距角为α=360/3×4×1=30 × × 若按三相六拍通电方式工作，则步距角为α 若按三相六拍通电方式工作，则步距角为α=360/3×4×2=15 × × 步距角：常见的步距角 步距角：常见的步距角0.60/1.20 , 0.750/1.50 , 0.90/1.80 ,10/20, 1.50/30 等。
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。
A
B'
A C' B
B'
C' B
A'
C
A'
C
AB通电 通电
BC通电 通电
A
B'
C' B
A'
C
工作方式为三相双三 拍时， 拍时 ， 每通入一个电 脉冲，转子也是转 30°，即 θS = 30°。 ° °
B相通电，转子2、4齿和 相对齐，又转了 °。 相通电，转子 、 齿和 相对齐，又转了15° 齿和B相对齐 相通电
A
B'
C' B
A'
C
总之， 每个循环周期， 有六种通电状态， 总之 ， 每个循环周期 ， 有六种通电状态 ， 所以称 为三相六拍，步距角为15° 为三相六拍，步距角为 °。
三、三相双三拍
工作方式
步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、 步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单 双六拍、三相双三拍等 双六拍、三相双三拍等。
一、三相单三拍
（1）三相绕组联接方式：Y 型 三相绕组联接方式： （2）三相绕组中的通电顺序为： 三相绕组中的通电顺序为： A相 → B相 → C相
通电顺序也可以为： 通电顺序也可以为： A 相 → C 相→ B 相
B
A
S
N
N
S
B'
A'
混合式步进电机A－A‘， B－B’剖面
步进电动机结构
步进电机主要由两部分构成： 步进电机主要由两部分构成：定子 和转子。 和转子。它们均由磁性材料构成 。定、转子铁心由软磁材料或硅 钢片叠成凸极结构， 钢片叠成凸极结构，定、转子磁 极上均有小齿， 极上均有小齿，定、转子的齿数 相等。其中定子有六个磁极, 相等。其中定子有六个磁极,定子 定子磁极上套有星形连接的三相 控制绕组， 控制绕组，每两个相对的磁极为 一相，组成一相控制绕组, 一相，组成一相控制绕组,转子上 没有绕组。 没有绕组。转子上相邻两齿间的 6° 注意： 注意：步进电机通的 θ =3 0 夹角称为齿距角 t Z r 是直流电脉冲. 是直流电脉冲.
步进电机分类
反应式步进电机：定子转子均有铁心组成，转子无绕组， 反应式步进电机：定子转子均有铁心组成，转子无绕组， 步进运行由定子绕组通电历磁产生的反应力矩作用实现。 步进运行由定子绕组通电历磁产生的反应力矩作用实现。 特点：结构简单，工作可靠，运行频率高，步距角小。 特点：结构简单，工作可靠，运行频率高，步距角小。 应用：数控设备，机器人。 应用：数控设备，机器人。 永磁式步进电机：转子用永磁铁， 永磁式步进电机：转子用永磁铁，靠与定子产生电磁力 特点：控制功率小，效率高，造价低，但步距角大。 特点：控制功率小，效率高，造价低，但步距角大。 应用：记录仪，空调机。 应用：记录仪，空调机。 混合式步进电机：转子有齿，带固定极性。 混合式步进电机：转子有齿，带固定极性。 特点：步距角小，工作频率高，控制功率小。 特点：步距角小，工作频率高，控制功率小。但结构复 成本高。 杂，成本高。
拍数： 拍数：N=km
30 6° 如：Zr=40 , N=3 时 θ = =3 ° S 4× 0 3
转速
30 6° 每输入一个脉冲， 每输入一个脉冲，电机转过 θ = S ZN r
即转过整个圆周的1/(Z 也就是1/(Z 即转过整个圆周的1/(ZrN）, 也就是1/(ZrN）转 因此每分钟转过的圆周数， 因此每分钟转过的圆周数，即转速为
例：某步进电机有80个齿, 采用3相6拍方式驱 某步进电机有80个齿, 采用3 80个齿 经丝杠螺母副驱动工作台做直线运动, 动, 经丝杠螺母副驱动工作台做直线运动, 丝 杠的导程为6mm。 杠的导程为6mm。求: 步进电机的步矩角。 1、步进电机的步矩角。 当脉冲当量要求为0.01mm 0.01mm时 2、当脉冲当量要求为0.01mm时,试设计此传动 系统 i=Z2/Z1=αL/360δ
矩角特性
ia
+Ua 定子
T
T j max
−π
−
Tm =− jmxs θ T a in e e A
π
2
θd 0
π
2
o
θe < 0 T >0
θz0 θe = 0
T =0
θe > 0
T <0
θe = π
T =0
矩角特性曲线族
T
A B
C
Tm =− jmxs θ T a in e e A
（3）工作过程 ） A 相通电，A 方向的磁 相通电，
A
B' 4 1 2 3 A'
通经转子形成闭合回路。 通经转子形成闭合回路。
C'
若转子和磁场轴线方向
B
C
原有一定角度， 原有一定角度，则在磁 场的作用下，转子 场的作用下，
被磁化，吸引转子， 被磁化，吸引转子，由于磁力线总是要通过磁 阻最小的路径闭合， 阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产 生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，使转、 生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，使转、 定子的齿对齐停止转动。 定子的齿对齐停止转动。