第五章 步进电动机
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n 60 f mZ r c
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，故可进行无级调速。
改变通电顺序，可以控制电机转向。
5.2.2 工作原理
5. 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 的齿形要相同。 转子齿数应满足
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； 工作频率高、响应速度快。
（2）步进电动机的分类
按其工作方式不同，可分为功率步进电动机和伺服步进电动机两类。 按励磁方式的不同，步进电动机可分为反应式、永磁式和感应子式三类。
5.2 反应式步进电动机的结构和工作原理
5.2.1结构特点
Zr 1 k 2p m Z r 2 p(k 1 ) m
图5-3 四相反应式步进电动机的结构
5.2.2 工作原理
四相单四拍运行 通电方式为A→C→B→D→…。 A相绕组通电，转子齿轴线和定子磁极A上的齿轴线对齐；
图5-4 A相通电时定、转子齿的相对位置
断开A相接通C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（1.8°），使转子齿轴线和定子磁极C下的齿轴线对齐； …。 每换接一次绕组，转子就转过1／4齿距角。四步完成一个循环，转子 转过7.2 °
断开A相接通C相，转子齿3和6的轴线与C极轴线对齐，转子逆时针方向
转过15°；断开C相接通B相，转子又转过15°；断开B相接通D相，转
子再转过15°。
5.2.2 工作原理
2. 运行方式
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 步距角 s 。 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 每次同时接通两相绕组，如AC→CB→BD→DA→…，也是四拍一个 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。 四相八拍 A→AC→C→CB→B→BD→D→DA→…。步距角变为原来的二分之一。
第5章 步进电动机
5.1 概述
Hale Waihona Puke Baidu
5.2 反应式步进电动机的结构和工作原理
5.3 反应式步进电动机的特点
5.4 反应式步进电动机的运行特性
5.5 步进电动机的其他类型
5.6 步进电动机的主要性能指标
5.1 概述
步进电动机将输入的脉冲电信号变换为角位移或直线位移，给一个脉 冲信号，电动机前进一步，因此称为步进电动机。 （1）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，
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
定子铁心表面有齿距相等的小齿。 定子绕组 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 进电动机可以做成二相、三相、四相、 五相、六相、八相等。 转子 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。
图5-1 四相反应式步进电动机的结构
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 通电方式为AC→CB→BD→DA→…。步距角与四相单四拍运行时一样 为1/4齿距角，即1.8°。
5.3 工作特点
1. 步进电动机受脉冲控制，其转子的角位移量和转速严格 地与脉冲的数量和频率成正比。改变通电顺序可以改变 步进电机的旋转方向，改变频率可以改变电动机的转速。 2. 若用同一频率的脉冲电源控制几台步进电动机时，它 们可以同步运行。 3. 维持步进电动机控制绕组的电流不变，电动机便停在 某一位置不动。即步进电动机具有自整角的能力，不 需要机械制动。 4. 步进电动机的步距角和转速大小不受电压波动和负载 变化的影响，也不受环境（温度、气压、冲击和振动） 的影响。 5. 步进电动机有一定的步距精度，没有累积误差。 6. 缺点：效率低、负载能力不大、调速范围不大，最高 输入频率一般不超过18KHZ
5.2.2 工作原理
四相八拍运行 通电方式为A→AC→C→CB→B→BD→D→DA→…。 A相绕组通电，转子齿轴线和定子磁极A上的齿轴线对齐； A、C两相同时通电时，转
子顺时针方向只转过1/8齿
距角（0.9°）；…。 每换接一次绕组，转子就转 过1／8齿距角。
图5-5 A、C两相通电时定、转子齿的相对位置
5.2.2 工作原理
1. 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 成一相，构成四相；转子六个齿，齿宽等于定子极靴的宽度。 A相绕组通电，在磁
阻转矩作用下，转子
齿1和4的轴线与定 子A极轴线对齐；
（a）A相通电（b）C相通电（c）B相通电（d）D相通电 图5-2 四相单四拍运行
5.4 反应式步进电动机的特性
静态特性 在静止状态下，电磁转矩与失调角之间的函数关系 T f ( e ) ，称为
步进电动机的矩角特性。
1. 静态矩角特性
T Fδ2 Z s Z r l1 sin e
图5-6 矩角特性 静态转矩T是失调角 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I2成正比。
5.4 反应式步进电动机的特性
静止状态
当步进电动机不改变通电状态时，转子处于不动状态，
称为静止状态。
失调角 e 规定定子、转子齿轴线重合的位置为静态空载情况下的 初始稳定平衡位置。 当电动机轴上外加一个负载转矩，使转子按一定方向转 过一个角度，平衡时转子所受的电磁转矩称为静态转矩。 转子偏离初始稳定平衡位置的电角度称为失调角 e 。
5.4 反应式步进电动机的特性
应当注意，最大静态转矩 Tsm 与控
制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 流达到一定数值后，磁路开始饱和，
如何使步进电动机反转？
5.2.2 工作原理
3．步距角 s
每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角，用符号 s 表示。 步距角为
360 s mZr c
c为通电状态系数， m为电机相数，Zr转子的齿数。 减小步距角，可提高控制精度。
5.2.2 工作原理
4．转速n 若控制脉冲的频率为f ，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。
改变通电顺序，可以控制电机转向。
5.2.2 工作原理
5. 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 的齿形要相同。 转子齿数应满足
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； 工作频率高、响应速度快。
（2）步进电动机的分类
按其工作方式不同，可分为功率步进电动机和伺服步进电动机两类。 按励磁方式的不同，步进电动机可分为反应式、永磁式和感应子式三类。
5.2 反应式步进电动机的结构和工作原理
5.2.1结构特点
Zr 1 k 2p m Z r 2 p(k 1 ) m
图5-3 四相反应式步进电动机的结构
5.2.2 工作原理
四相单四拍运行 通电方式为A→C→B→D→…。 A相绕组通电，转子齿轴线和定子磁极A上的齿轴线对齐；
图5-4 A相通电时定、转子齿的相对位置
断开A相接通C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（1.8°），使转子齿轴线和定子磁极C下的齿轴线对齐； …。 每换接一次绕组，转子就转过1／4齿距角。四步完成一个循环，转子 转过7.2 °
断开A相接通C相，转子齿3和6的轴线与C极轴线对齐，转子逆时针方向
转过15°；断开C相接通B相，转子又转过15°；断开B相接通D相，转
子再转过15°。
5.2.2 工作原理
2. 运行方式
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 步距角 s 。 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 每次同时接通两相绕组，如AC→CB→BD→DA→…，也是四拍一个 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。 四相八拍 A→AC→C→CB→B→BD→D→DA→…。步距角变为原来的二分之一。
第5章 步进电动机
5.1 概述
Hale Waihona Puke Baidu
5.2 反应式步进电动机的结构和工作原理
5.3 反应式步进电动机的特点
5.4 反应式步进电动机的运行特性
5.5 步进电动机的其他类型
5.6 步进电动机的主要性能指标
5.1 概述
步进电动机将输入的脉冲电信号变换为角位移或直线位移，给一个脉 冲信号，电动机前进一步，因此称为步进电动机。 （1）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，
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
定子铁心表面有齿距相等的小齿。 定子绕组 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 进电动机可以做成二相、三相、四相、 五相、六相、八相等。 转子 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。
图5-1 四相反应式步进电动机的结构
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 通电方式为AC→CB→BD→DA→…。步距角与四相单四拍运行时一样 为1/4齿距角，即1.8°。
5.3 工作特点
1. 步进电动机受脉冲控制，其转子的角位移量和转速严格 地与脉冲的数量和频率成正比。改变通电顺序可以改变 步进电机的旋转方向，改变频率可以改变电动机的转速。 2. 若用同一频率的脉冲电源控制几台步进电动机时，它 们可以同步运行。 3. 维持步进电动机控制绕组的电流不变，电动机便停在 某一位置不动。即步进电动机具有自整角的能力，不 需要机械制动。 4. 步进电动机的步距角和转速大小不受电压波动和负载 变化的影响，也不受环境（温度、气压、冲击和振动） 的影响。 5. 步进电动机有一定的步距精度，没有累积误差。 6. 缺点：效率低、负载能力不大、调速范围不大，最高 输入频率一般不超过18KHZ
5.2.2 工作原理
四相八拍运行 通电方式为A→AC→C→CB→B→BD→D→DA→…。 A相绕组通电，转子齿轴线和定子磁极A上的齿轴线对齐； A、C两相同时通电时，转
子顺时针方向只转过1/8齿
距角（0.9°）；…。 每换接一次绕组，转子就转 过1／8齿距角。
图5-5 A、C两相通电时定、转子齿的相对位置
5.2.2 工作原理
1. 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 成一相，构成四相；转子六个齿，齿宽等于定子极靴的宽度。 A相绕组通电，在磁
阻转矩作用下，转子
齿1和4的轴线与定 子A极轴线对齐；
（a）A相通电（b）C相通电（c）B相通电（d）D相通电 图5-2 四相单四拍运行
5.4 反应式步进电动机的特性
静态特性 在静止状态下，电磁转矩与失调角之间的函数关系 T f ( e ) ，称为
步进电动机的矩角特性。
1. 静态矩角特性
T Fδ2 Z s Z r l1 sin e
图5-6 矩角特性 静态转矩T是失调角 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I2成正比。
5.4 反应式步进电动机的特性
静止状态
当步进电动机不改变通电状态时，转子处于不动状态，
称为静止状态。
失调角 e 规定定子、转子齿轴线重合的位置为静态空载情况下的 初始稳定平衡位置。 当电动机轴上外加一个负载转矩，使转子按一定方向转 过一个角度，平衡时转子所受的电磁转矩称为静态转矩。 转子偏离初始稳定平衡位置的电角度称为失调角 e 。
5.4 反应式步进电动机的特性
应当注意，最大静态转矩 Tsm 与控
制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 流达到一定数值后，磁路开始饱和，
如何使步进电动机反转？
5.2.2 工作原理
3．步距角 s
每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角，用符号 s 表示。 步距角为
360 s mZr c
c为通电状态系数， m为电机相数，Zr转子的齿数。 减小步距角，可提高控制精度。
5.2.2 工作原理
4．转速n 若控制脉冲的频率为f ，即每秒输入的脉冲数。