步进电动机.doc
3.2步进电动机的运行特性与使用(精)
3:单步运行特性
单步运行：加一个控制脉冲改变一次通电状态，这个工作状态 称为单步运行。
运行区域：包括静稳定区和动稳定区（见P102 图3.18） 单步运行特性：转子空间转角随时间做减幅振荡衰减运动（见 P103 图3.19）
4：连续脉冲运行特性
（1）极低频条件下运行 T>tb 控制脉冲周期T大于转子单步运行振荡衰减时间tb，当第二个 脉冲到来之前，第一个脉冲使得转子运行已经结束。电机处 于欠阻尼状态，产生振荡，不会失步和越步。见图3.20
（3）脉冲频率f>4f0条件下运行
转子的运行特点：在第一个脉冲作用下，转子产生的振荡还 没达到最大振幅，第二个脉冲已经到来，改变通电状态。见 图3.22。电机往往会超出稳定区而失步。
5：脉冲信号的频率对电机运行的影响
当脉冲信号频率很低时，控制脉冲以 矩形波输入，电流波形比较接近于理 想的矩形波； 随着脉冲信号频率增高，由于电动机 绕组中的电感有阻止电流变化的作用， 因此电流波形发生畸变，频率越高， 畸变越严重。如图所示， 如果脉冲频率过高，电流还来不及 上升到稳定值I 就开始下降，于是， 电流的幅值降低(由I下降到I’)，因而 产生的转矩减小，致使带负载的能力 下降。故频率过高会使步进电动机启 动不了或运行时失步而停下。因此， 对脉冲信号频率是有限制的。
2：使用步进电动机时应注意的几个问题 （1）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。 （2）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。 （3）在工作过程中，应尽量避免由于负载突变而引起误差。 （4）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组件。
《步进电动机》PPT课件
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第11章 步进电动机
t
360 Zr
(式中， Zr为转子齿数)， 所以转子每步转过的空间 角度(机械角度)， 即步距角为
s
t
N
360 Zr N
(11 - 1)
式中， N为运行拍数， N=km (k=1, 2； m为相数)。
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第11章 步进电动机
为了提高工作精度， 就要求步距角很小。 由式(11 - 1)可见， 要减小步距角可以增加拍数N。 相数增加相 当于拍数增加， 但相数越多， 电源及电机的结构也越 复杂。 反应式步进电动机一般做到六相， 个别的也有 八相或更多相数。 对同一相数既可以采用单拍制， 也 可采用双拍制。 采用双拍制时步距角减小一半。 所以 一台步进电动机可有两个步距角， 如1.5°/0.75°、 1.2°/0.6°、 3°/1.5°等。
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第11章 步进电动机
当A相控制绕组通电，而B相和C相都不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点， 所以转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐。同理，当断开A相接通B相时，转子便按逆时针方 向转过30°，使转子齿2和4的轴线与定子B极轴线对齐。断开B相，接通C相，则转子再转过 30°，使转子齿1和3的轴线与C极轴线对齐。从而实现逆时针旋转。
θte=360° 或 θte=2π rad 相应的步距角为
be
te
N
360 N
(11 - 2)
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第11章 步进电动机
或
be
2
N
(11 - 3)
所以当拍数一定时， 不论转子齿数多少， 用电角
度表示的步距角均相同。
步进电动机
是一种将数字式电脉冲信号转换成机械位移（角位移或 线位移）的机电执行元件。它的机械位移与输入的数字 脉冲有着严格的对应关系，即一个脉冲信号可使步进电 动机前进一步，所以称为步进电动机。 主要优点 能直接实现数字控制 ；控制性能好 ；无电刷和换向器 ； 抗干扰能力强 ；无累积定位误差 ；（1） 具有自锁能力 （磁阻式）和保持转距（永磁式），可重复堵转而不损坏； 机械结构简单、坚固耐用。 主要缺点 运动增量和步距角是固定的，在步进分辨率方面缺乏灵活 性 ；需要专用的驱动电路。
步进式旋转磁场的产生： 当A相控制绕组通电时， 由于B、C两相不通电， 此时产生的磁阻转矩使转 子齿轴线与定子磁极轴线 对齐，即磁阻转矩使转子 齿1、3和定子极A－A对 齐。
控制元件
磁阻式步进电动机的工作原理
• 当A相控制绕组通电时，由于B、C两相不通电，此 时产生的磁阻转矩使转子齿轴线与定子磁极轴线对 齐，即磁阻转矩使转子齿1、3和定子极A－A对齐。 之后，A相断电，B相控制绕组通电而C相不通电时， 则转子便按逆时针方向转过300角度，使转子齿2和4 的轴线与定子B－B极轴线对齐。断开B相，接通C相， 则转子再转过300，使转子1和3的轴线与C－C极轴线 对齐。如此按A-B-C-A的顺序通电，转子就会一步 一步地按逆时针方向转动，如图所示。其转速取决 于各控制绕组通电和断电的频率（即输入的脉冲频 率），旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。 若按A-C-B-A的顺序通电，则电机反向转动。
控制元件
磁阻式步进电动机的工作原理
齿距角：转子每一相邻两齿轴线间的距离所对应的空间 角度，即 3600 θt = Zr 图示为三相六极步进电动机，Zr=4，所以它的齿距角θt=900。 •磁阻式步进电动机的工作原理 磁阻式步进电动机的工作原理 简单：旋转磁场+磁阻转矩 详细：各相绕组轮流通电，形成步 进式旋转磁场。磁阻转矩使转子转 到磁阻最小的位置。 极距： 相邻异性磁极轴线之间的夹角
步进电机
主要缺点：效率较低，需配适当的驱动电源， 主要缺点：效率较低，需配适当的驱动电源，
带惯性负载的能力不强。 带惯性负载的能力不强。
种类： 种类： 磁阻式(反应式) 励 磁 方 式 永磁式 混合式
转子有多相磁极，而转子用软磁材料制成,三相 转子用永磁材料制成，这样可提高电机 的输出转矩，减少定子绕组的电流。两 相 两相、三相和五相
1 结构
步进电机主要由两部分构成：定子和转子。 步进电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、 由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。 定子绕组
反应式步进电机的定子上有 磁极， 磁极，每个磁极上有激磁绕 转子无绕组， 定子组，转子无绕组，有周向均 布的齿， 布的齿，依靠磁极对齿的吸 合工作。 合工作。如图所示为三相步 进电机，定子上有三对磁极， 进电机，定子上有三对磁极， 分成A、 、 三相 三相。 分成 、B、C三相。为简 化分析，假设转子只有4个 化分析，假设转子只有 个 齿。
以上三种工作方式， 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。 拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。
2 步进电机的主要特性 2.1 步距角及其精度 指每给一个脉冲信号，电动机转子应转过角度的 理论值。它取决于电机结构和控制方式。步距角 可按下式计算：
根据结构分类 步进电机可制成轴向单段式和多段式。多段式又 称为轴向分相式，定子每相是一个独立的段，各 段只有一个绕组，结构完全相同，
1－ 线圈
2－ 定子
3－转子
三段式（三定子）轴向分相步进电机 三段式（三定子）
旋转励磁型5相步进电机 减速－制动复合型5相步进电机
步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电机驱动 步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（ ）。控制器 脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量， 控制器（ 器）。控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准 确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度， 确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调 速的目的。 速的目的。
步进电机及其驱动电路
第三节步进电动机及其驱动一、步进电机的特点与种类1.步进电机的特点步进电机又称脉冲电机。
它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。
每当输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步距角。
转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比,并在时间上与输入脉冲同步。
只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。
步进电动机具有以下特点：✍工作状态不易受各种干扰因素(如电压波动、电流大小与波形变化、温度等）的影响;✍步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零” ;✍由于可以直接用数字信号控制，与微机接口比较容易;✍控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”；✍不需要传感器进行反馈,可以进行开环控制;✍缺点是能量效率较低。
就常用的旋转式步进电动机的转子结构来说，可将其分为以下三种：（1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance）,也叫反应式步进电动机（2）永磁（PM—Permanent Magnet）型（3）混合(HB—Hybrid）型（1）可变磁阻（VR—Variable Reluctance）结构原理：该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，故又称作反应式步进电动机.其结构原理如图3.5定子1上嵌有线圈，转子2朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并由此而得名可变磁阻型。
图3。
6 可变式阻步进电机可变磁阻步进电机的特点：❖反应式电动机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力；❖需要将气隙作得尽可能小,例如几个微米；❖结构简单，运行频率高，可产生中等转矩,步距角小（0。
09~9°）❖制造材料费用低；❖有些数控机床及工业机器人上使用。
（3)混合（HB—Hybrid）型结构原理这类电机是PM式和VR式的复合形式。
其定子与VR类似，表面制有小齿，转子由永磁铁和铁心构成，同样切有小齿，为了减小步距角可以在结构上增加转子和定子的齿数。
步进电机驱动电路.(DOC)
步进电机驱动电路[单机片]1. 步进电机的工作原理该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。
只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。
图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
图1 四相步进电机步进示意图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。
当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。
而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。
依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。
单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。
八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示：图2.步进电机工作时序波形图图3 步进电机驱动器系统电路原理图AT89C2051将控制脉冲从P1口的P1.4～P1.7输出，经74LS14反相后进入9014，经9014放大后控制光电开关，光电隔离后，由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。
使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。
图中L1为步进电机的一相绕组。
AT89C2051选用频率22MHz的晶振，选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小AT89C2051对上位机脉冲信号周期的影响。
图3中的RL1～RL4为绕组内阻，50Ω电阻是一外接电阻，起限流作用，也是一个改善回路时间常数的元件。
D1～D4为续流二极管，使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管(D1～D4)而衰减掉，从而保护了功率管TIP122不受损坏。
步进电动机的结构及工作原理
步进电动机的结构及工作原理《步进电动机的奇妙世界》
嘿，朋友们！今天咱来聊聊步进电动机这个神奇的小家伙。
你看啊，这步进电动机就像是一个勤劳的小工人，不知疲倦地工作着。
它主要由定子和转子这两个重要部分组成。
定子呢，就像是一个稳固的基地，上面绕着很多线圈，给电动机提供动力；转子呢，就像是一个灵活的小转轮，在定子的作用下转动起来。
它的工作原理也特别有意思。
就好像是一场接力比赛，电脉冲信号就是那发令枪响，定子上的线圈依次被激发，产生磁场，然后推动转子一步一步地前进。
每一个电脉冲信号都像是给转子一个小小的推力，让它稳稳地向前迈一步。
想象一下，步进电动机就像是一个精确的舞者，每一个动作都那么准确无误。
它在很多地方都大显身手呢！比如在打印机里，它能精确地控制打印头的移动，让文字和图像清晰地呈现在纸上；在数控机床里，它能让刀具精准地切削工件，制造出各种精密的零件。
咱家里的一些电器里可能也有它的身影哦！像那种自动开合的窗帘，就是步进电动机会在背后默默地工作，让窗帘按照我们的要求乖乖地打开或关上。
我记得有一次，我去参观一个工厂，看到那些巨大的机器在有序地运转着，一问才知道，里面好多都用到了步进电动机。
当时我就特别感慨，这么个小小的东西，居然能有这么大的作用。
而且啊，步进电动机还特别耐用，只要你正常使用和维护它，它就能长时间地为你服务。
它也不太容易出故障，真是个可靠的小伙伴。
总之呢，步进电动机虽然看起来不起眼，但在我们的生活和工业中都有着不可或缺的地位。
它就像一个默默奉献的小英雄，在各种场合发挥着自己的作用，为我们的生活带来便利和进步。
让我们为这个神奇的小电动机点个赞吧！。
步进电动机的工作原理及驱动方法
步进电动机的工作原理及驱动方法步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。
步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。
正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。
由于步进电动机能直接接受数字量的控制，所以特别适宜采用微机进行控制。
1.步进电动机的种类目前常用的有三种步进电动机：(1)反应式步进电动机(VR)。
反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。
(2)永磁式步进电动机(PM)。
永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大。
(3)混合式步进电动机(HB)。
混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。
它有时也称作永磁感应子式步进电动机。
2.步进电动机的工作原理图1 三相反应式步进电动机的结构示意图1——定子 2——转子 3——定子绕组{{分页}}图1是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。
电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60º。
各磁极上套有线圈，按图1连成A、B、C三相绕组。
转子上均布40个小齿。
所以每个齿的齿距为θ=360º/40=9º，而定子每个磁极E的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。
由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。
若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，如图1，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3º。
因此，B、C极下的磁阻比 A磁极下的磁阻大。
若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3º；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。
步进电机介绍
普通高等教育“十一五”国家级规划教 第十二页，共52页。
4.步进电机
每秒钟输入f 脉冲(màichōng)，则转过 f/ZrN 转，故电机转速为：
n 60 f rpm ZrN
4. 小步(xiǎo bù)距角磁阻式步 进电机 转子上有t 均3匀460分0布9的40个齿.
s3 ZrN 6 043 03 61 03
4.步进电机
2. 三相双三拍运行方式 按AB-BC-CA-AB或相反的顺序通电，每次同
时(tóngshí)给两相绕组通电，且三次换接为一个循 环。步距角与三相单三拍运行方式的步距角相同。
AB相导通
BC相导通
普通高等教育“十一五”国家级规划教 第十页，共52页。
4.步进电机
3. 三相单、双六拍运行方式 按A-AB-B-BC-C-CA或相反(xiāngfǎn)顺序通电，即需 要六拍才完成一个循环，s因此6t 步9距60角为15：
低频共振现象
普通高等教育“十一五”国家级规划教 第二十八页，共52页。
4.步进电机
➢脉冲频率很高时的连续运行 ➢ 当控制脉冲的频率很高时，脉 冲间隔的时间很短，电机转子尚未到 达第一次振荡的幅值，甚至还没有到 达新的稳定平衡位置，下一个脉冲就 到来。此时电机的运行已由步进变成 了连续平滑的转动(zhuàn dòng)， 转速也比较稳定。 ➢ 当频率太高时，也会产生失步， 甚至还会产生高频振荡。
➢ 一、反应式步进电动机的结构(jiégòu) ➢ 单段式
➢ 多段式
➢ a)径向磁路 ➢ b)轴向磁路
普通高等教育“十一五”国家级规划教 第四页，共52页。
4.步进电机
径向磁路(cílù) 1—线圈；2—定子；3—转子
轴向磁路(cílù) 1—线圈；2—定子；3—磁轭
步进电机型号、参数、选择
H桥恒频斩波恒相流驱动电路原理框图
电流PWM细分驱动电路示意图
2. 单极性驱动
单极性驱动原理图
3. 双极性驱动
双极性驱动原理图
4. 微步驱动
微步驱动技术是一种电流波形控制技术。其基本思想是控制每相绕 组电流的波形，使其阶梯上升或下降，即在0和最大值之间给出多 个稳定的中间状态，定子磁场的旋转过程中也就有了多个稳定的中 间状态，对应于电机转子旋转的步数增多、步距角减小。采用细分 驱动技术可以大大提高步进电机的步矩分辨率，减小转矩波动，避 免低频共振及降低运行噪声
四、计算例题（直线运动）
已知：直线平台水平往复运动，最大行程L＝400 mm，同步带 传动；往复运动周期为T ＝ 4s；重复定位误差 0.05 mm； 平台运动质量M ＝ 10 kg，无外力。 求：电机型号、同步带轮直径、最大细分数。
1. 运动学计算
平台结构简图
平均速度为： V 0.4 / 2 0.2 m / s 设加速时间为0.1 S；(步进电机一般取加速时间为：0.1~1秒) (伺服电机一般取加速时间为：0.05~0.5秒) 则加减速时间共为0.2 S，且加减速过程的平均速度为最大速度的一 半。
驱动器细分数：m C /(200 0.05/ i) 3.14 故，取4细分就很合适了。
实际脉冲当量：
C /(200 m / i) 0.04mm
4. 计算电机力矩，选择电机型号
第2级主动轮上的力矩：T2＝FΦ 3 / 2
第1级主动轮上，即电机轴上的力矩：T1＝T2 i ＝F Φ3 / 2 i = 0.155 Nm
运转。其步距状态的移动会产生1 步距响应。
1 步距响应图
电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小， 则共振区向上偏移，反之亦然。步进电机低速转动时振动和噪声 大是其固有的缺点，克服两相混合式步进电机在低速运转时的振 动和噪声方法：
第五章 步进电机
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)。
单三拍工作方式特点
三相绕组中每次只有一相通电、一个循环 周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。 （1）一个电脉冲，转子转过 30
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。
• 步距角却因拍数增加1倍而减小到齿距
角的1/6， 即S= 15°。
各种工作方式特点归纳
（1）拍数为N，相数为m 时
若单拍运行，则拍数N=m； 若单双拍运行，则N=2m。 （2）经过一个通电循环，转子转过1个齿。
电机转速（）：
n 60 f Zr N
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：
θ = ±π 这个位置是不稳定的，两个不稳定点之间的区域构 成静态稳定区。
电磁转矩的最大值称为最大静态转矩Tmax，它表示了步进电动 机承受负载的能力，是步进电动机最主要的性能指标之一。
1) 矩角特性 • 静止时若有外部转矩作用于转轴上，迫使转
子离开初始平衡位置而偏转，转子偏离初始 平衡位置的电角度称为失调角θ • 转子会产生反应转矩，也称静态转矩
五相十拍步进电动机
题目10：五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试一、控制要求：1．五相步进电动机有五个绕组: A、B、C、D、E ,正转顺序: ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB反转顺序: ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB2．用五个开关控制其工作：1 号开关控制其运行 ( 启 / 停 )。
2 号开关控制其低速运行 (转过一个步距角需 0.5 秒)。
3 号开关控制其中速运行 (转过一个步距角需 0.1 秒)。
4 号开关控制其低速运行 (转过一个步距角需 0.03 秒)。
5 号开关控制其转向 ( ON 为正转，OFF 为反转 )。
二、课题要求：1．按题意要求,画出 PLC 端子接线图、控制梯形图。
2．完成 PLC 端子接线工作, 并利用编程器输入梯形图控制程序，完成调试。
3. 完成课程设计说明书三、答辩问题：1．如何利用两个按钮进行连续调速(上升/下降)。
2．试用三相六拍步进电动机实现上述控制要求2。
正转通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA反转通电顺序为： A→CA→C→BC→B→AB3．设有五台电动机作顺序循环控制,控制时序如下图所示：10001 为运行控制开关，试设计其梯形图控制程序。
4. 设有四台电动机作顺序循环控制,控制时序如下图所示:10001 为运行启动控制按钮, 10002为停车控制按钮。
采用单相电动机工作，忽略过载保护，要求：当 10001 启动后，系统开始工作，10002 按下后系统起动，运行三个循环后即自动停止工作，试设计其梯形图控制程序。
PLC 端子接线图、控制梯形图，如下图：用五相十拍控制图2-10 步进电动机采用单相控制外部接线图外部接线图PLC 端子接线图梯形图课程设计说明书1.1五相十拍步进电动机的PLC设计过程1.2五相十拍步进电动机的控制要求1.3 PLC外部接线图1.4 I/O地址分配表1.5 程序设计1.1五相十拍步进电动机的PLC设计过程PLC应用系统软件设计的主要内容就是编写PLC用户程序。
第三章步进电动机的控制
2、静特性：
静特性是指在稳定状态（通电状态不变，转子保持不动的定 位状态）时的特征，包括静转距、距角特性及静态稳定区。
A）静转距：电动机处于稳定状态下的电磁转距。它是绕组 内电流与失调角的函数。
在稳定状态下，若无负载，转子齿与定子齿对齐，处于初始 平衡状态，电磁转矩为0。若在转子加一负载转距，转子齿 要偏离初始位置，转过一个角度θ，这时定转子之间产生的 电磁转矩，此转矩克服负载转矩达到平衡，转子停在一个新 的平衡点，这时电动机的电磁转距即为静态转矩。
初始状态
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
A
B' 4 C'
31
C 2B
A'
3.1.2 步进电动机分类
反应式(磁阻式) 永磁式 分类方法很多，按工作原理可分为： 电磁式 混合式(永磁感应式) ★反应式步进电机的转子用硅钢片叠成，其上没有励磁线 圈，结构和原理简单。 ★电磁式步进电机的转子上有励磁线圈。 ★混合式步进电动机转子为永磁材料，在同样的励磁电流 下，可以产生更大的转矩，效率高，电流小，发热低。
组轮流励磁，利用电磁铁原理，每来一个电脉冲，电 机转动一个角度，将脉冲信号转换成角位移。
IA
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。磁力线力图走磁阻最小的 路径，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 磁化吸引，使转、定子的齿对齐，使 得通电相磁路的磁阻最小。
步进电动机
Tf
L R'
频率越高，绕组中的平均电 流越小，电机所产生的平均 转矩大大下降，负载能力也 就大大下降了。
附加旋转电势的影响
电机铁心中的涡流损耗
二、静稳定区和动稳定区
通电时，转子每旋转一步最后停留的位置必须在动稳定区 内，即：静、动稳定区必须有所重叠，且从稳定性的角度来看，
重叠区间越大越好，这样，下一步就可继续沿着原来的旋转方
定子
转子
转子 θe
e
2
T正最大
静态转矩
定子
e
2
T负最大
定子
T
T
转子 θe θe
转子
矩角特性
步进电机产生的静态转矩T随失调角θe的变化规律
近似
T f e T j max sin e
Tjmax 稳定平衡点 /2
/2 静稳定区
θ
e
步进电动机的工作过程就是实现失调角为零的过程。
11.5 步进电动机的连续脉冲运行和动特性
连续转动状态 随着脉冲频率 f 的增高，电机转子还未稳定下来时，下一个 脉冲已经到来。 工业应用对步进电机的要求 不丢步/不越步 转子运动平稳 快速性
一、运行矩频特性 步进电机连续转动时的最大输出转矩T与驱动电源脉冲频率f间的关系
定子绕组电感的影响
L Tr R
11.4 步进电动机的单步运行状态
单步运行状态
仅改变一次通电状态或输入脉冲频率非常低
空载
加载
a
Tq
极限负载 or 极限启动转矩 电机以一定通电方式运行时，相邻矩角特性的交点所对应的转矩
3 Tq T j max 2
A
AB
B
步进电机伺服电机
7.3.1 认知步进电机及驱动器1、步进电动机简介步进电动机是将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的一种特殊执行电动机。
每输入一个电脉冲信号，电机就转动一个角度，它的运动形式是步进式的，所以称为步进电动机。
（1）步进电动机的工作原理下面以一台最简单的三相反应式步进电动机为例，简介步进电机的工作原理。
图7-10是一台三相反应式步进电动机的原理图。
定子铁心为凸极式，共有三对（六个）磁极，每两个空间相对的磁极上绕有一相控制绕组。
转子用软磁性材料中制成,也是凸极结构，只有四个齿，齿宽等于定子的极宽。
图7-10 三相反应式步进电动机的原理图当A相控制绕组通电，其余两相均不通电，电机内建立以定子A相极为轴线的磁场。
由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，使转子齿1、3的轴线与定子A相极轴线对齐，如图7-10（a）所示。
若A相控制绕组断电、B相控制绕组通电时，转子在反应转矩的作用下，逆时针转过30°，使转子齿2、4的轴线与定子B相极轴线对齐，即转子走了一步，如图7-10（b）所示。
若在断开B相，使C相控制绕组通电，转子逆时针方向又转过30°，使转子齿1、3的轴线与定子C相极轴线对齐，如图7-10（c）所示。
如此按A—B—C—A的顺序轮流通电，转子就会一步一步地按逆时针方向转动。
其转速取决于各相控制绕组通电与断电的频率，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。
若按A—C—B—A的顺序通电，则电动机按顺时针方向转动。
上述通电方式称为三相单三拍。
“三相”是指三相步进电动机；“单三拍”是指每次只有一相控制绕组通电；控制绕组每改变一次通电状态称为一拍，“三拍”是指改变三次通电状态为一个循环。
把每一拍转子转过的角度称为步距角。
三相单三拍运行时，步距角为30°。
显然，这个角度太大，不能付诸实用。
如果把控制绕组的通电方式改为A→AB→B→BC→C→CA→A，即一相通电接着二相通电间隔地轮流进行，完成一个循环需要经过六次改变通电状态，称为三相单、双六拍通电方式。
步进电机组成及工作原理
步进电机组成及工作原理一、步进电机的组成步进电机是一种组合式电机，它由转子、定子、感应器和控制器等几个部分组成。
1. 转子步进电机的转子通常由一些磁性材料制成，如镍、铁、钴、钢等。
转子的形状通常为圆盘形，中央有一个或多个隆起的齿形结构。
2. 定子步进电机的定子通常也由磁性材料制成，有时会添加一些绝缘材料。
定子的形状通常为环形，有一个或多个钳制定子的爪子。
定子的内部有一些线圈，并联或串联，它们与控制器相连。
3. 感应器步进电机的感应器通常是一些磁性部件，如霍尔元件、磁敏电阻等。
它们的作用是检测转子位置，向控制器反馈转子位置信息。
4. 控制器步进电机的控制器通常是一个设备，它能产生特定的电流/电压波形，驱动步进电机转动。
控制器通常由处理器、驱动电路、信号输入输出接口等几个部分组成。
二、步进电机的工作原理步进电机的工作原理是利用交替磁场和磁学相互作用产生转矩，推动转子转动。
步进电机的驱动方式有两种：全步进驱动和半步进驱动。
1.全步进驱动全步进驱动又称全步进模式，是最常用的步进电机驱动方式。
在全步进模式下，控制器将电流以一定周期分为多个步骤，每一步骤控制电流的大小和方向，产生一定的磁场，推动转子转动。
具体而言，当控制器中的电流向步进电机内部线圈流动时，就会产生一个磁场。
如果电流反向，就会产生另一个磁场。
这两种磁场会相互作用，生成一个转矩，推动转子转动。
在全步进模式下，每一步转动角度是固定的（通常为1.8度或0.9度），因此转子转动也是连续的，不会出现跳动现象。
2.半步进驱动半步进驱动是在全步进模式基础上改进得到的，也称为半步进模式。
在半步进模式下，控制器将电流分为两个步骤，第一步只控制一个电流线圈，第二步则控制两个电流线圈。
这样一来，转子转动角度就可以设置为1.8度的一半（即0.9度）。
半步进驱动可以提高步进电机的分辨率，使得步进电机更加精确。
但同时也会使得驱动电路更加复杂，成本更高。
步进电机是一种精密的电动机，具有结构简单、定位精度高等优点。
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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rch 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 chb θθ= 或 rb NZ360=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rNZ 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== cheAC B A →→→→D ABCD B C AB →→→→DA ACD C B C B AB A →→→→→→→→DA D)(2)(360电弧度电角度N N N chebe 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 -=)32sin(max πθ--=e j emB T T )34sin(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 nm a x -=)2s i n (m a x πθ--=e j e m B T T )s i n(m a x πθ--=e j e m C T T )23s 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 πθ--=e j AB T T)43sin(2max πθ--=e j BC T T)45sin(2max πθ--=e j CD T T)47sin(2max πθ--=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． 空载状态图3-6 空载状态的单步运行2． 负载状态图3-7 负载状态的单步运行3． 负载能力：起动转矩：各项矩角特性曲线的交点—— 代表的电磁转矩值q T 为步进电动机单步运行所能带动的最大负载转矩，称为起动转矩。
当q f T T 时，电机才能正常运转图3-8 负载能力4． 单脉冲作用下电动机的震荡现象设电动机的负载转矩为零，一相控制绕组通电，转子处于静态稳定平衡位置。
设θ为偏转角（机械角），考虑粘性摩擦产生的阻转矩dtd B θ，转子的运动方程e m t T dt d B dtd J =+θθ22 （3-9） 此为衰减震荡过程二、 连续运行时步进电动机的动态特性1． 动稳定区和稳定裕度：*动稳定区：在第n 相控制绕组通电状态换接为第n +1相控制绕组通电状态瞬间，转子位置只要在这个区间，就能转向新的稳定平衡点,且不超过不稳定平衡点。
把区域)()(be e be θπθθπ+<<+-称作动稳定区。
0)(<<+-e be θθπ的范围叫做稳定裕度图3-9 静稳定区和动稳定区2． 步进电动机的起动过程和起动频率起动过程：设步进电动机的负载转矩为零，在一相控制绕组恒定通电时，转子位于稳定平衡点a O 。
由A 换接到B 相运动，下一拍时分两种情况：（1） 转子角位移较大，在1b 点换接到1c ，矩角特性转矩为正，可以到达新稳定平衡点b O（2） 转子角位移不大，在2b 点切换，矩角特性转矩为负，将不能到达新稳定平衡点b O图3-10 起动过程分析§3-4驱动电路图3-11 驱动电路基本构成步进电动机的运动由一系列电脉冲控制，脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。
为了使电动机能够输出足够的功率，经过环形分配器产生的脉冲信号还需要进行功率放大。
环形分配器、功率放大器以及其他辅助电路统称为步进电机的驱动电源。
步进电动机、驱动电源和控制器构成步进电动机传动控制系统一、单一电压型驱动电路步进电动机一相的驱动电路如图3.12所示。
这种电路的特点是线路简单，成本低，低频时响应较好；缺点是效率低，尤其在高频工作的电动机效率更低。
在实际中较少使用，只有在小功率步进电动机且在简单应用中才使用。
图3-12单一电压型驱动电路二、双电压驱动电路双电压驱动电路习惯上称为高低压切换电路，其最后一级如图3.13a所示。
这种电路的特点是电动机绕组主电路中采用高压和低压两种电压供电，一般高压为低压的数倍。
适用于大功率和高频工作的步进电动机，优点是功耗小，起动力矩大，突跳频率和工作频率高，缺点是低频振荡加剧，波形呈凹形，输出转矩下降；大功率管的数量多用一倍，增加了驱动电源。
三、升频升压驱动电路为了减小低频振动，应使低速时绕组电流上升的前沿较平缓，这样才能使转子在到达新的稳定平衡位置时不产生过冲，而在高速时则应使电流有较陡的前沿，以产生足够的绕组电流，才能提高步进电动机的带载能力。
这就要求驱动电源低频时用较低的电压供电，高频时用较高的电压供电。
升频升压驱动电路可以较好地满足这一要求。
四、细分驱动电路如果要求步进电动机有更小的步距角，更高的分辨率(即脉冲当量)，或者为减小电动机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，只改变相应绕组中额定的一部分，则电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行也只有步距角的一部分，绕组电流分成数个台阶，则转子就以同样的次数转过一个步距角，这种将一个步距角细分成若干步的驱动力法，称为细分驱动。