控制电机第五章 步进电机

3 步进电机的工作基本特点
（1）步进电机工作时，每相绕组由专门驱动电源通 过“环形分配器”按一定规律轮流通电。
分配方式 几个概念 状态数、拍数 单拍制分配方式：状态数＝相数 双拍制分配方式：状态数＝2相数
f f相 ＝ N
f相：每相脉冲电压的频率 f：控制电脉冲的频率 N：拍数
（2）步距角的表示方法 步距角 b ：每输入一个脉冲电信号转子转过的角度。
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
A C' B B' C' B A'
A
B'
C A' AB通电
B'
C
C'
C
B A'
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)。
定子材料：硅钢片叠成；转子材料：叠片铁心
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。
现以A B IA C A的通电顺序，使三相绕组
轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。
IC C
IB B
1.三相单三拍 “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 不通电。气隙产生以A-A为轴线 A 的磁场，而磁力线总是力图从 B' C' 1 磁阻最小的路径通过，故电动 4 2 3 B C 机转子受到一个反应转矩，在 A' 此转矩的作用下，转子必然转 到左图所示位置：1、3齿与A、 A′极对齐。
4 反应式步进电机的运行特性
静态特性
5 电源及分配方式对电机性 能的影响
1. 驱动电源的基本要求
2. 驱动电源的组成
（1）变频信号源：脉冲信号发生器，可产生数十赫兹到几 万赫兹连续可变的脉冲。 （2）脉冲分配器：一种逻辑电路，由双稳态触发器和门电 路组成，能将输入的电脉冲信号根据需要循环输出。 （3）功率放大器：将输入的循环信号进行功率放大，使步 进电机按选定的运行方式工作。
1 步距角 b ：每输入一个脉冲电信号转子转过的空间角度 2 （机械角度）。
3600 b N ZR N
t
N为运行拍数， N km(k 1,2; m为相数)
同一台电机采用不同的供电方式，步距角可有两 种不同的数值。
为了提高控制精度，缩小步距角，可以增加相数， 且电机的定子、转子都做成多齿的。
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。
齿距角 t ：
3600 t ZR
3600 b N ZR
Z R为转子齿数
t
N为运行拍数， N km(k 1,2; m为相数)
提高精度
减小步距角
增加拍数
用电角度表示步距角：
3600 Z R be b Z R N ZR
电角度等于机械角度乘上极对数
（3）反应式步进电动机可以按特定指令 进行角度控制或速度控制
60 f 60 f 3600 f n b 0 Z R N 360 Z R N 6
f 一定时，步距角小，转速低，输出功率小，但加
工精度要求高，故应二者兼顾考虑。
（4）步进电机具有自锁功能
当控制脉冲停止，最后一个脉冲控制绕组继续通 直流电，电机停留在最后一个脉冲控制的角位移 终点——实现停车时转子定位。
A B' C A'
A
C'
B
B' C A'
C' B
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。
高、低压切换型电源
步进电机的每一相控制绕组要有两只功率元件串联。 由高、低压两种不同的电源供电。这种电源效率好， 起动和运行效率比单一电源高。 高压供电用来加速电流的增 长速度；低压供电为了维持 稳定的电流值。 优点： 电源功耗小，效率高。 矩频特性好，启动和运行频 率有很大提高。
常用于大功率步进电机的驱动
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。
角度控制：输出轴转动的角位移量与输入脉冲数 成正比。 k1k 速度控制：
60 f n ZR N
N为运行拍数， ZR为转子齿数 f为控制脉冲的频率
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，而与电压、负载、温度等因素无关。可 实现无级调速，调速范围很宽。
改变通电顺序，相当于改变定子磁场的旋转方向 ，从而控制电机正反转。改变脉冲输入的情况可 以控制电机的启动，反转，制动或改变转速。
第五章 步进电机
本章学习内容

概述


步进电机的结构和工作原理
步进电机的基本特点


步进电机的运行特性
电源及分配方式对电机性能的影响
1 概述
步进电动机又称为脉冲电动机，在数字控制系 统中作为执行元件。其功能是将脉冲的电信号变换 为相应的角位移或直线位移。
运行特点: 角位移量θ 与脉冲数成正比。 脉冲频率与电机转速成正比。 改变脉冲顺序，可改变转动方向。
图 11 - 41 电流波形下凹现象
图 11 - 42 多次电流检测后的电流波形
单电压斩波恒流型电源
这种电源可以消除电流波形下凹现象， 使绕组中电流维持在额定值附近。单一 电压线路简单。
细分电路
对一个有步距角的步进电机绕组用阶梯波形的电流供电， 使步距角减少，提高运行平滑性。 电流的每个阶梯，电 机转动一步，步距角 减小了很多。它与一 般的由 0 值突跳至额 定值， 从额定值跳至0 的通电方式相比， 步 距角缩小了1/10， 因 而使电机运转非常平 滑， 可以消除电机在 低频段运转时产生的 振动、 噪音等现象。
结构：定子上八个磁 极，定子、转子由硅 钢片叠成，都带有小 齿。
四相单四拍
转子有50个齿，齿距角7.2度。 定子一个极距所占的齿数不为整数 A相通电，反应转矩使转子齿轴线和
定子磁极AA’齿轴线对齐，相邻磁极定 子齿和转子齿相对位置如右图。 B相通电，转子转过1.8o。 顺序通电，转子旋转。 四相八拍 四相双四拍
另外， 由于双拍制分配方式的步距角比单拍制减少一 半， 所以当电机产生的角加速度dω/dt及要克服的惯性 矩Jdω/dt相同时， 双拍制的控制频率比单拍制的可增 加一倍。 可见， 采用双拍制分配方式对提高启动和连 续运行频率是明显有利的。
6 其他类型步进电机
步进电机的分类: 励 磁 方 式
反应式(磁阻式) ——应用最为广泛
永磁式 感应式
2 反应式步进电机的结构及工作原理
A
IA 转子
定子
IC C
IB
B
左图为三相反应式 异步电动机：定子 内圆周均匀分布着 六个磁极，磁极上 有励磁绕组，每两 个相对的绕组组成 一相，采用Y连接。 转子有四个齿，齿 宽等于定子的极靴 宽。
细分电流波形
4. 分配方式对性能的影响
分配方式对输出转矩也有很大影响。 一般来说， 同时
通电的相数越多， 转矩下降较少。
例如， 三相电机中三相双三拍及三相六拍分配方式的 转矩都比三相单三拍的高。 这是因为在绕组换接过程中， 如AB→BC时， 只是A相电流切断， C相电流导通； 它们 都是按指数曲线规律变化的， 但 B相电流在换接过程中仍 保持稳态电流值不变， 它对维持转矩不变起了较大作用。 显然， 同时通电的相数越多， 维持电流不变的相数也越多， 转矩就越高。
可见：
转子的转速取决于控制绕组通电和断电的频率。
转子旋转的方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。
几个基本概念 分配方式
单拍制分配方式：状态数＝相数 双拍制分配方式：状态数＝2相数
三相双三拍
拍数（状态数）
步距角的表示方法
齿距角 t ：转子相邻两个齿之间的夹角。
3600 t ZR
t
Z R为转子齿数
3. 驱动电源的分类
按功率 放大器 型式进 行分类 单一电压型电源 高低压切换型电源 其他型式的驱动电源
单一电压型电源
当信号脉冲输入时，晶体管导通，电容C在起始瞬间相 当于将电阻短接，而加大控制绕组的电流，稳定时R起 限流作用。 优点：线路简单，功放元 件少，成本低 缺点：Rf1上要消耗能量， 工作效率低。 只适用于小功率步进电机， 性能指标要求不高的场合。
A B'
4 1
C'
2
A相通电，转子1、 3齿与A、A' 对齐。
C
3
B
A'
A B'
C C' B
A'
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 A'
C'
B
B 相通电，转子2、 4齿与B、B´ 对齐,又转
过15。
A B' C A' C' B

脉冲分配和功放
s
脉冲信号
0
v
1脉冲 对应1步
k
脉冲数 等于步数
0
f
应用：由于步进电动机的工作特点符合数字 控制系统要求，因此它在数控机床、钟表工业及 自动记录仪、打印机等方面都有很广泛的应用。
对步进电机的基本要求: 调速范围宽； 能快速的启动，快速的正反转； 开环精度高，不丢步或越步； 输出转矩大，可直接带负载。
图 11 - 40 高低压电源的电压和电流波形图
(a) 信号电压； (b) 绕组端压； (c) 绕组电流
图 11 - 40 高低压电源的电压和电流波形图 (a) 信号电压； (b) 绕组端压； (c) 绕组电流
其他型式的驱动电源
带有多次电流检测的高低压驱动电源
在高、低ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ切换型电源的基础上，使高压部分的电流断续 加入，以补偿步进电机控制绕组中旋转电势而引起的电流 波顶下凹所造成的转矩下降，使电流波顶维持在预定范围 内，而使步进电机的机械特性得到显著提高。