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步进电动机

概述

1. 特点：步进电动机是一种将数字式电脉冲信号转换成机械角位移的机电信号，它的机械角位移与输入的数字脉冲信号有着严格的对应关系：即一个脉冲信号可以使步进电动机前进一步，因此，又被称为脉冲电动机。是一种比较理想的执行元件。

步进电动优点比较多：可以直接实现数字控制，控制性能好，无摩擦，抗干扰能力强，误差不长期积累，具有自锁能力和保持转矩的能力。

2. 分类：主要有反应式、励磁式等。反应式步进电动机的转子上没有绕组，依靠变化的磁阻生成磁阻转矩工作。励磁式步进电动机的转子上有磁极，依靠电磁转矩工作。反应式步进电动机的应用最为广泛，它有两相、三相、多相之分，也有单段、多段之分。

§3-1 基本原理

一、 反应式步进电动机的结构特点

步进电动机由定子和转子两大部分组

成。

例：三相反应式步进电动机的结构简图

如图3.1所示，定子有六个磁极，每相对磁

极构成一相控制绕组，转子上有均布的四个

齿。

概念：齿距就是相邻两齿中心线（或称齿轴

线）的夹角，又称为齿距角，计算公式为： 图3-1 三相反应式步进电机模型

r

ch Z 360=θ （3-1） ch θ— 齿距角； r Z — 转子齿数

二、工作原理：

1.基本原理：

反应式步进电动机是由通电相控制绕组使该相控制极建立磁场，由于转子齿槽磁导的差异，当定子齿轴线与转子齿轴线不一致时，磁极对转子齿将产生吸力，进而形成电磁转矩—反应转矩，并最终使转子齿轴线转至与定子磁极齿轴线一致，转据磁导最大的位置。如果按照一定的顺序给各相控制绕组轮流通电，将在定子内空间形成步进式磁极轴旋转，转子在反应式电磁转矩的作用下，随之作步进式转动。

（a）A相通电（b）B相通电（c）C相通电

图3-2 反应式步进电动机的工作原理图

例：四相反应式步进电动机局部展开图，它有八个控制磁极，每磁极上带有五齿四槽，转子上有均布的50个齿槽，则每相邻相磁极中心线夹角—极距角

图3-3四相反应式步进电动机局部展开图

经过四次换接通电状态，就完成了一个循环。

拍：称每一次通电状态的换接为拍，每一拍转子相应旋转一个步距角；把完成一个通电状态循环所需要换接的控制绕组相数或通电状态次数称作拍数，用N表

示，则步距角 N ch

b θθ= 或 r

b NZ

360=θ （3-2） 转速：步进电动机即可作单步运行（按控制指令转过一定的角度），又可连续不断的旋转。当外加一个控制脉冲时，即每一拍，转子将转过一个步距角，这相当于整个圆周角的r NZ 1，也就是r

NZ 1转，如果控制脉冲的频率为f ，转子的转速为 r NZ f n 60=（r /min ） （3-3） 2. 通电状态：

① 单相轮流通电方式：每次切换前后只有一相绕组通电。

特点：在这种通电方式下，电动机工作的稳定性较差，容易失步。

如：四相单四拍 ② 双相轮流通电方式：每次有两相绕组通电，通电状态切换时，转子转动平稳，且输出力矩较大，这种通电方式定位精度高而且不易失步。

如：四相双四拍： ③ 单双相轮流通电方式：上述两种通电方式的组合。

如：四相八拍： 经过八拍完成一个循环。步距角为四相单四拍或四相双四拍的一半

§3-2静态特性

电角度的概念：从步进电动机的工作原理可看出，无论以何种方式—— 单拍制或双拍制通电，完成一个通电循环，转子将转过一个齿距角。再经过一个循环，转子将重复刚才的运动，继续转过一个齿距。因此步进电动机的特性完全可由一个齿距范围（一个齿与一个槽）内的特性来代表。定义电角度e θ等于机械角度与转子齿数乘积

r e Z ⋅=θθ 用电角度表示的齿距角che θ为

)(2)(360电弧度电角度πθ== che

A

C B A →→→→

D AB

CD B C AB →→→→DA A

CD C B C B AB A →→→→→→→→DA D

)(2)(360电弧度电角度N N N che

be πθθ=== （3-4） 无论转子齿有多少个，以电角度表示的齿距角和步距角与齿数无关。

一、矩角特性（重点）

1． 单项控制的矩角特性

单相控制绕组通电状态不变的条件下，控制磁极对转子作用的电磁转矩与转子偏转角的关系

以A 相控制绕组为基准：e j em T T θsin max -= （3-5）

图3-4 矩角特性曲线族

*静稳定区：通电状态不变的情况下，当转子去掉外转矩后，能回到初始稳定平衡位置的转子偏转角范围。

2． 多相控制时的矩角特性

三相步进电动机：单相控制，A 相控制绕组通电时

e j emA T T θsin max -=

)3

2sin(max πθ--=e j emB T T )3

4sin(max πθ--=e j emB T T （3-6） 四相步进电动机：以A 相为基准，采用四相单四拍运行时，各相控制绕组单独通电的矩角特性

e j e m A T T θs i n

m a x -=

)2s i n (m a x π

θ--=e j e m B T T )s i n

(m a x πθ--=e j e m C T T )2

3s i n (m a x πθ--=e j e m D T T （3-7） 应用叠加原理，可以方便地得到四相双四拍的矩角特性曲线族和它的解析表达式：

)4sin(2max π

θ--=e j AB T T

)43sin(2max π

θ--=e j BC T T

)45sin(2max π

θ--=e j CD T T

)47sin(2max π

θ--=e j DA T T

（

3-8）

图3-5 四相步进电动机多相控制

§3-3动态特性

一、 单脉冲作用下的运行

又称单步运行，即在带电不动的初始状态下，切换一次脉冲电压。

1． 空载状态