电机拖动控制(机电传动控制)11-步进电机

第十三章步进电机
13.1步进电动机的结构与原理
1.概念：
概念
步进电动机或称脉冲电动机，是一种将输入脉冲信号转换成输出轴的角位移（或直线位移）的执行元件。

步进电动机每输入一个脉冲信号，便转动一个确定的角度（称为：步距角）。

输出轴转过的总角度是与输入脉冲的个数成正比，输出轴转速与出轴转过的总角度是与输入脉冲的个数成正比输出轴转速与
脉冲的频率和歩距角成正比。

N n f
θβ
∝∝
2.结构定子：硅钢片叠成
定子：凸极式相：每两个相对的磁极上绕有一个
线圈，构成一相。

控制线圈
三相：六个极，三个绕组，构成三相
131
13.1 三相反应式步进电动机的结构示意图转子：材料：硅钢片或软磁材料
4个凸极、无绕组
3.类别：按励磁方式分为：
反应式转子无励磁绕组磁阻式反应式：转子无励磁绕组，磁阻式永磁式：转子为永久磁铁混合式（永磁感应式）
按输出转矩分类为快速步进电动机07N 4N 按输出转矩分类为：快速步进电动机
0.7 Nm~ 4 Nm ；功率步进电动机
T=5 Nm~ 4 0Nm ；
4.特点：
f
n N θβ
∝∝●线性好，无累计误差，可变频调速；
●抗干扰能力强；
●转动惯量小能快速起动反转与制动在一相绕●转动惯量小，能快速起动、反转与制动。

在相绕
组通电的情况下有自锁能力。

5.工作原理
（1）工作原理：电磁铁原理：定子绕组通电，在铁心中产生
磁场，总是力图沿磁阻最小的路径通过。

这种磁场力产生力矩，使转转动当达到最短路径的位置则自锁
使转子转动，当达到最短路径的位置则自锁。

转子自锁位置定子绕组通电顺序（顺时针）转子自锁位
A B C转子顺时针转向
100A---1A’---3
010B---2B---4
B2’4 001C3C1
C---3’----1 100A---4A’---2
图13.2 单三拍通电方式时转子的位置（ａ）Ａ相通电
图13.2 单三拍通电方式时转子的位置（ｂ）Ｂ相通电
图13.2 单三拍通电方式时转子的位置（ｃ）Ｃ相通电
图13.2 单三拍通电方式时转子的位置（ａ）Ａ相通电
图13.3 步进电机的通电方式（a）A相通电
图13.3 步进电机的通电方式（b）A、B相通电
图13.3 步进电机的通电方式（c）B相通电
图13.3 步进电机的通电方式（d）B 、C相通电
13.3B
6. 步进电动机的主要特性
（1）矩角特性——电磁转矩随偏转角度变化的关系
近似为正弦曲线
（2）启动惯频特性——启动频率与负载转动惯量的关系空载时，由静止突然启动且不失步所允许的最高启动
空载时由静止突然启动且不失步所允许的最高启动频率，称为启动频率或突调频率
（3）运行频率特性
不失步运行的最高脉冲频率
（4）矩频特性
负载转动惯量一定且稳态运行时的最大输出转矩与脉冲频率的关系。

7. 步进电动机的主要性能指标
（1）步距角β——每给一个电脉冲信号，步进电机 转子所应转过角度的理论值。

（2）精度 最大步距角误差：电动机旋转一转相邻两步间
实际最大步距与理论步距的差值 步距累积误差最大值：一转范围内，从任意位
置开始经过任意步后，角位移误差的最大值 （3）最大静转矩Ts max
可能驱动的最大负载转矩 （4）保持转矩（HOLDING TORQUE）
绕组通电但没有转动时，电磁转矩的最大值 （5）定位转矩（DETENT TORQUE，钳制转矩)
没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩 （6）启动频率fs——不失步启动的最高脉冲频率


8、步进电动机传动控制系统的主要特点
（1） 步进电动机的步数和转速 与输入脉冲频率之间有严格的正比关系， 不会因电压的波动、负载的增减以及温度等 外部环境的变化而变化；
（2） 步距误差不会产生积累误差； （3）控制性能好，在一定的额率范围内
能按输入脉冲信号的要求迅速启动、反转和停止， 且能在较宽的范围内通过改变脉冲频率来进行调速。

（4）步进电动机拖动控制系统不用反馈也能实现较高精 度的角度和转速控制。

简化了系统、降低了成本，特别适用于开环数控系统。

13.2 步进电机的环形分配器
1.步进电动机的驱动
步进电动机通过专用电源来驱动，专用电源由环行分配 器与功率放大器组成。

QA
QA
CAJ
K
&
&
&
&
W+Δx
W−Δx
QB QB
CBJ K R
&
QC
QC 复
位
CCJ
KR
CP
&
&
&
&
&
&
&
QA
QB QC


2.步进电机的环形分配器
（1）概念：环形分配器既可用硬件逻辑电路 来实现，又可 编软件程序实现。

硬件逻辑电路 有：
RS触发器的逻辑电路
D触发器的逻辑电路
JK触发器的逻辑电路
以JK触发器组成的三相六拍环形分配器为例，讲解分配器逻 辑电路：
环形分配器的输出端：
QA → A 导通： A = 1
不导通：A = 0
QB → B B =1 B=0
QC → C C =1 C=0


环形分配器输入端：
QA 、 QB 、 QC 、 W+ΔX 、 W−ΔX
通电顺序：
正转： A → AB → B → BC → C → CA
反转： A → AC → C → CB → B → BA
逻辑变量： 正转：10
W+ΔX = 1
W−ΔX = 0
反转：01
JK触发器的输入端：
W+ΔX = 0
W−ΔX = 1
CAJ = W+ΔX QB + W−ΔX QC
CBJ = W+ΔX QC + W−ΔX QA
CCJ = W+ΔX QA + W−ΔX QB


环形分配器逻辑关系：
CAJ
CBJ
CCJ
CAJ
CBJ
CCJ
环形分配器逻辑电路： 逻辑电路：与非门实现逻辑关系
非门保持 J=0
J=1 清除 J=K=0
J=K=1
K=1 的状态
K=0 的状态


• 五相反应式步进电动机，五相十拍，歩距角 1.5°，频率为3000Hz，求转速？
60βf = 750rpm
360
60βf 2π
= 42971.8rpm


• 五相反应式步进电动机，歩距角为1.5°/0.75°， 求转子齿数？
β = 1 360o = 1 360o
N Z Km Z m : 相数
K
=
⎧1: 单三拍、双三拍
⎨ ⎩
2：单、双六拍
Z = 1 360o = 360 = 48
Km β 1× 5×1.5



。