第13章 步进电动机传动控制系统

第13章步进电动机传动控制系统
教学内容
13.1 步进电动机
13.2 步进电动机的环形分配器
13.3 步进电动机的驱动电路
13.4 步进电动机的运行特性及选用中应注意的问题
教学安排
本章安排2个学时，采用多媒体授课。

知识点及其基本要求
1．掌握步进电动机步矩角和步进电动机转速的数学表达式及其物理意义；
2．掌握步进电动机的结构、运行特性及影响因素。

重点和难点
重点
掌握步进电动机的通电方式和主要性能指标。

难点
步进电动机的矩角特性和矩频特性。

教学设计
1.了解步进电动机的结构和工作原理，掌握步进电动机的通电方式和求解步距角与转速的公式。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移
或线位移的机电执行元件。

在非超载的情况
下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信
号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，
即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步
距角。

(1)步进电动机的结构
右图所示为一台三相反应式步进电动机的
结构示意图，定子有6个磁极，每两个相对
的磁极上绕有一相控制绕组。

转子上装有四个
凸齿。

图13-1 步进电动机结构图
（2）步进电动机的基本工作原理
步进电机的工作原理同电磁铁的工作原理，磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的特点。

图13-2 三相反应式步进电动机的工作原理图
通电顺序A-B-C-A，转子便按顺时针方向一步步转动。

每换接一次，转子前进一个步距角。

通电顺序改为A-C-B-A便可反向旋转。

（3）步进电机的通电方式
三相单三拍
通电顺序：A-B-C-A或A-C-B-A，步距角30度（齿距90度）
特点：每次只有一相控制绕组通电吸引转子，易引起在平衡位置振荡，稳定性差，绕组通电换极时易失步。

双三拍
通电顺序：AB-BC-CA-AB或反过来，步距角30度（齿距90度）
特点：始终有两相通电，感应力矩大，静态误差小，定位精度高，工作稳定，不易失步。

三相六拍
通电顺序：A-AB-B-BC-C-CA-A步，距角15度（齿距90度）或A-AB-B-BC-C-CA-A
特点：单、双相轮流通电，通电状态增加一倍、步距角减少一半，但具有双三拍的特点。

（4）小步距角步进电动机
步距角步进电机的一般要求:转子齿数Z必须满足当一相磁极下定子与转子齿数相对时,下一磁极下定子与转子齿的位置错开齿距的1/m,m为相数。

图13-3 定子、转子展开图
齿距：τ=360°/z (z:齿数)
步距角：每通电一次（运行一拍）转子转过的角度,故步距角为:
k:状态系数，相邻两次通电的相数相同为1,不同为2。

当定子控制绕组按着一定顺序不断轮流通电时,步进电动机就持续不断地旋转,如果电脉
注意：步进电动机的转子齿数Z和定子相数（或运行拍数）愈多，则步距角愈小，控制越精确。

（5）步进电动机的分类
步进电机按工作原理分为：
激磁式：定转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动
反应式：转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动
混合式：转子上置有磁钢，具有驱动电流小、效率高、过载能力强等优点
步进电机按输出转矩大小分：
快速步进电机：输出转矩较小，一般0.07NM——4NM
功率步进电机：输出转矩较大，一般5NM——40NM
此外，按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相等。

相数越多，步距角越小，但结构越复杂。

一般：相数m↑→电源复杂程度↑→成本↑
按定子排列还可分为多段式(轴向式)和单段式(径向式)。

轴向式的转动惯量小，快速性和稳定性好，功率步进电动机多为轴向式。

2．了解步进电动机的矩角特性和矩频特性，掌握步进电动机的主要性能指标。

（1）步进电机的矩角特性
图13-4 步进电动机的矩角特性
图13-5 脉冲信号的畸变
矩角特性反映步进电动机电磁转矩随偏转角的变化关
系，从图可见：
θe=π/2时，有Tsmax
注意几个概念：
初始平衡位置：空载时控制绕组通以直流电时，转子
的最后稳定位置。

失调角θe ：转子偏离平衡位置的电角度。

（空间角θ=Z
θe ）
矩角特性:在单脉冲且电流不变时的Ts=f(θe)。

静稳定区：当失调角在-π～＋π范围内时，若去负载，转子仍能回到稳定平衡位置，故称此区域为静态稳定区。

最大静转矩TSmax ：对应某个失调角，静转矩最大，称最大静转矩TSmax 。

自锁定位能力：当控制脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组通以直流电时，电动机转子可以保持在固定位置上。

（2）步进电机的矩频特性
矩频特性:动态转矩与脉冲的关系。

特性:：动态转矩随脉冲频率的升高而降低,对于某一频
率,只有当负载转矩小于在该频率下的最大动态转矩,
电动机才能正常运行。

步进电动机的控制特点：
★ 不受电压波动、负载变化的影响（在允许范围内），
不受环境（温度、压力、冲击、振动等）的影响。

★ 可进行两类控制： ★ 角度控制（通过丝杠螺母可变成直线控制）：角位移∝脉冲数。

★ 速度控制：速度∝脉冲频率（可无限调速）。

e T T θsin m ax -=
（3）步进电动机的主要性能指标
①步距角β：
我国的系列范围：0.36°～90°；
常用系列:7.5°/15°3°/6° 1.5°/3°0.9°/1.8 0.75°/1.5°0.6°/1.2°0.36°/0.72°一般要求:β≤iθmin
i--传动比
θmin—负载轴要求的最小位移增量，即一个脉冲当量对应负载轴转过的角度
当步进电动机通过丝杠转换为直线运动时：
b：脉冲当量，即每一个脉冲（步）直线移动的距离（mm/步）
i：传动比；
L：丝杠螺距（导程）。

例1：某工作台用步进电动机传动，L=6，脉冲当量要求为b=0.1mm/步，试确定步距角β与传动比i。

解：取β=3°则
若取β=6°则
i=1 说明直接用步进电动机传动即可。

②最大静转矩Tsmax：
要求：TL=（0.3～0.5）Tsmax 或
此外，为保证系统正常启动，还须保证：
Tst ＞TLmax
Tst：步进电动机的启动转矩；
TLmax：最大静负载转矩。

工程计算时通常取Tst =TLmax/（0.3～0.5）
③静态步距误差△β：
指步进电动机空载时，每步实际走过的角度与理论步距角之差。

要求：△β≤i（△βL）
△βL ：负载轴上允许的角度误差。

④启动频率和运行频率：
失步：指丢步或越步。

丢步指转子前进的步数少于脉冲数；越步指转子前进的步数多于脉冲数。

启动频率：在一定负载下能够不失步地启动的最高脉冲频率。

（注意：TL ↑→fst ↓，选步进电动机时要考虑）
运行频率（最大工作频率）：当运行频率连续上升时，步进电动机能不失步而正常运行的最高频率。

通常 fc ＞ fst
（4）使用步进电机的注意事项
★ 驱动电源的优劣对步进电动机控制系统的运行影响极大，使用时要特别注意，需根据运
行要求，尽量采用先进的驱动电源，以满足步进电动机的运行性能。

★ 若所带负载转动惯量较大，则应在低频下启动，然后再上升到工作频率，停车时也应从
工作频率下降到适当频率再停车。

★ 在工作过程中，就尽量避免由于负载突变而引起的误差。

★ 若在工作中发生失步现象，首先，应检查负载是否过大，电源电压是否正常，再检查驱
动电源输出波形是否正常，在处理问题时不应随意变换元件。

例2一台三相反应式步进电动机，采用三相六拍分配方式，转子有40个齿，脉冲源频率为600Hz ，求：
(1)写出一个循环的通电程序;
(2)求步进电动机步距角;
(3)求步进电动机转速 n;
解 (1)脉冲分配方式有两种：
例3 若一台 BF 系列四相反应式步进电动机，其步座角为 1.80/0.90。

试问：
(1)1.80/0.90表示什么意思?
(2)转于齿数为多少?
(3)写出四相八拍运行方式的一个通电顺序。

(4)在A 相测得频率为400Hz 时，其每分钟的转速为多少?
工作频率启动频率制动频率（与启动频率相同）连续运行频率（简称运行频率）f e
空载f ost 额定f st {
{()()0
005.13240/3603602=⨯⨯==ZKm β()min /150324060060603r ZKm f n =⨯⨯⨯==。