第六章步进电动机

最大突跳频率：在转子不失步的情况下，电动机能增加和减小 的最大频率。
步距差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。
输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小
步进电动机的输出转矩与脉冲频率的函数关系称为矩频特性。
6--2 步进电动机的驱动电源及环形分配器
一、驱动电源的组成
步进脉冲
脉
A 功率放大器
功放电路
f
冲B
分
到左图所示位置：1、3齿与A、
A′极对齐。
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4
齿和B、B´ 磁极轴线对齐；当C相通电时，转子 再转过30角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。
这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为 一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲， 所以称为三相单三拍工作方式。
第六章 步进电动机
张若凤
步进电动机概述
机理
步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号 转换成线位移或角位移的电机。每来一个 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。
特点
(1)来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变方向。
种类：
有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步 进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子 上没有励磁线圈。
下面以反应式步进电机为例说明步进电机的 结构和工作原理。
三相反应式步进电动机的原理结构图如下：
转子
IA
Aபைடு நூலகம்
IC C
定子内圆周 定子 均匀分布着六个
磁极，磁极上有
励磁绕组，每两
个相对的绕组组
IB
成一相。采用Y B 连接，转子有四
个齿。
1.工作原理 由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，
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。
为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿， 齿宽和齿槽和转子相同。
工作原理：假设是单三拍通电工作方式。
（1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 120/9 = 13 1 齿 3 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 26 2 个 齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿3 对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。
A
B' 1 C'
42
C 3B A'
A
B'
C'
C
B
A'
动画 A相通电，转子1、
3齿与A、A' 对齐。
A、B相同时通电，
A、A' 磁极拉住1、3齿， B、B' 磁极拉住2、4齿，
转子转过15，到达左图 所示位置。
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
B 相通电，转子2、 4齿与B、B´ 对齐,又转
过15。
下面以反应式步进电机为例说明步进电 机的结构和工作原理。
1、 结构
步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均 由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。
定子绕组
定子
转子
转子
IA A
定子
IC
IB B
C
定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极 组成一相。
注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念 不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图 的联接和组数的区别。
(2) 控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3) 改变脉冲顺序，可改变转动方向。
由于步进电动机的这一工作职能正好符合 数字控制系统要求，因此它在数控机床、钟表工 业及自动记录仪等方面都有很广泛的应用
3 步进电动机
种类：励磁式和反应式两种。 区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，
依靠电磁转矩工作。反应式步进电机的转子上没有励 磁线圈。依靠变化的的磁阻生成磁阻转矩工作。反应 式步进电机的应用最广泛，它有两相、三相、多相之 分。这里主要讨论三相反应式步进电动机的结构和工 作原理。
几种步进电动机外形
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• 三、步进电动机的主要技术指标与运行特性 • 1、步距角与静态步距误差
• b<=iαmin
• 步距误差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。 • 1、最大静转矩： • P103
步距角 最大工作频率：在转子不失步的情况下，电动机连续工作时， 输入脉冲信号的最大频率。
•
步进电动机在一个脉冲的作用下， 转过一个相应的步距
角， 因此只要控制一定的脉冲数， 即可精确控制步进电动机转过的
相应的角度。 但步进电动机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正
确工作， 这种使电动机绕组的通断电顺序按输入脉冲的控制而循环
变化的过程称为环形脉冲分配。
•
实现环形分配的方法有两种。 一种是计算机软件分配，
m:一个周期的运行拍数 Zr：转子齿数
如：Zr=40 ,
m=3 时
S

360 40 3
3
转速
n 60 f s
360
f：电脉冲的频率
4、步进电机的应用
步进电动机是用脉冲信号控制的，一周的步数 是固定的，只要不丢步，角位移误差不存在长期 积累的情况，主要用于数字控制系统中，精度高， 运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实 现闭环控制。
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
AB通电
BC通电
A
B'
C'
C
B
A'
CA通电
工作方式为三相双三 拍时，每通入一个电 脉冲，转子也是转
30，即 S = 30。
以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六 拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。
（3）、三相单双六拍
三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。
工作过程：
A B' 1 C'
42
C 3B
A'
A相通电，转子1、3齿和A相对齐。
A、B相同时通电
A
B'
C'
C
B
A'
（1）BB' 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。
（2）AA' 磁场继续对1、3齿有拉力。
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°。
B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。
功放电路
方向信号
配 器
C
功放电路
分配器电源
功率电 源
三
相 步
负载
进
电
机
脉冲分配器+功率放大电路
1. 脉冲分配器
当方向电平为低时，脉冲 分配器的输出按A-B-C的顺序 循环产生脉冲。
当方向电平为高时，脉 冲分配器的输出按A-C-B的顺 序循环产生脉冲。
f
f
A
A
B
C
C
B
2.功率放大器
将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供 电，使电动机的转子产生输出转矩。
从以上对步进电机三种驱动方式的分析可 得步距角计算公式：
360
Zrm
—步距角
Zr —转子齿数 m —每个通电循环周期的拍数
实用步进电机的步距角多为3和1.5 。为了 获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的， 如教材图10.4.4所示。图中转子表面有40个齿，
齿距角是9；定子仍是 6个磁极，但每个磁极表 面加工有五个和转子一样的齿。
现以A B C A的通电顺序，使三相绕组 轮流通入直流IA电流，观察转子的运动情况。
IC
IB B
C
1.三相单三拍 动画
“三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕 组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。
A相绕组通电，B、C相
A
B' 1 C'
42
C 3B A'
不通电。气隙产生以A-A为轴线 的磁场，而磁力线总是力图从 磁阻最小的路径通过，故电动 机转子受到一个反应转矩，在 此转矩的作用下，转子必然转
应用：步进电动机的应用非常广泛，如各种数控 机床、自动绘图仪、机器人等。
数控 装置
步进 电动机
电位器
步进电动机根据数控装置
发出的指令带动电位器的
动触电转动，使其偏离中
点产生电位差，经放大后
放大器 机械手
电液 伺服阀
液压缸
控制伺服阀的开口量，压力油经阀口进入油缸，使 机械手按照存储在数控装置中的指令动作。
B、C相同时通电，
C' 、C 磁极拉住1、3 齿，B、B' 磁极拉住
2、4齿，转子再转过 15。
三相反应式步进电动机的一个通电循环周 期如下：AAB B BC C CA，每个循 环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角）， 一个通电循环周期(6拍)转子转过90 (齿距角)。
与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更 小，更适用于需要精确定位的控制系统中。
按AB C A ……的顺序给三相绕组 轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转
过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁场在
空间旋转了360°而转子转过90°(一个齿距角)。
2. 三相六拍
按AAB B BC C CA的顺序给三相 绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制 特性。
A
B'
C'
C
B
A'
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。
3、小步距角的步进电动机
实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5 度，步距角越小，机加工的精度越高。
为产生小步距角，定、转子都做成多齿的， 图中转子40个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁 极上也有五个齿。
转子的齿距等于360/ 40=9 ，齿宽、齿槽各4.5 。
步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中， 如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、 自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化生 产线、印刷设备等中亦有应用。
3 步进电动机
步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲 信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉 冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段 距离。 特点: (1) 来一个脉冲，转一个步距角。
（2）A 相断电、B 相通电后，转子只需转过1/3个 齿（3），使 B 相转子、定子对齐。 同理，C 相通电再转3 ……
若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲， 转子只转 1.5 。
异步机的转动方向仍由相序决定。
步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为 步距角。
步距角
S

360 Zrm
2、工作方式
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。
（1）、三相单三拍
（a）三相绕组联接方式：Y 型 （b）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： A 相 C 相 B 相
（c）工作过程
A
B' 1 C'
42
C 3B
A'
A 相通电，A 方向的磁 通经转子形成闭合回路。 若转子和磁场轴线方向 原有一定角度，则在磁 场的作用下，转子被磁
•
另一种是硬件环形分配， 采用
数字电路搭建或专用的环形分配器件将
连续的脉冲信号经电路处理后输出环形
脉冲。 采用数字电路搭建的环形分配器
通常由分立元件（如触发器、 逻辑门等）
三相单三拍的特点：
（1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为
步距角，用S表示。
（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序， 改变通电顺序即可改变转向。
缺点：每次只有一相控制线圈通电吸引转子，容 易使转子在平衡位置附近产生震荡，对电路的控 制要求高。
（2）、三相双三拍
三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。
3. 三相双三拍 按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通
电。每拍有两相绕组同时通电。
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
AB通电
动画
BC通电
CA通电
与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循 环周期也分为三拍。每拍转子转过30 (步距角)， 一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。
二、步进电动机的脉冲分配器
步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现。 硬件环形分配器：由计数器等数字电路组成的。有较好的响应
速度，且具有直观、维护方便等优点。 软件环分：由计算机接口电路和相应的软件组成的。受到微型
计算机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控制的要求。 1.硬件环形分配器
图 6-17 开环步进电动机控制系统框图
化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁
路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。
A 相通电使转子1、3齿和 AA' 对齐。
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐， 相对A相通电位置转30；C相通电再转30。
这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电， 而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相 单三拍。
采用查表或计算的方法使计算机的三个输出引脚依次输出满足速度和
方向要求的环形分配脉冲信号。 这种方法能充分利用计算机软件资
源，减少硬件成本， 尤其是多相电动机的脉冲分配更能显示出这种
分配方法的优点。 但由于软件运行会占用计算机的运行时间， 因而
会使插补运算的总时间增加， 从而影响步进电动机的运行速度。