步进电机的运行特性
步进电动机ppt课件
式中C为常数，与控制绕组、控制电流、磁阻等有关。步进电机某 相绕组通电时矩角特性如图所示。
矩角特性上静转矩的最大值Tsm称为最大静转矩。
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2、多相通电时 a) 三相步进电动机 A→AB→B→BC→C→CA→A顺序通电
TA=Tmaxsinθse TB=Tmaxsin(θse-120°)
TAB= TA+ TB= 2Tmaxcos60°=Tmax
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b)五相步进电动机 1、供电方式； （C=1）：五相单五拍 A→B→C→D→E→A
五相双五拍 AB→BC→CD→DE→EA→AB 五相三五拍 ABC→BCD→CDE→DEA→EAB→ABC (C=2): 五相单双十拍 A→AB→B→BC→C→CD→D→DE→E→EA→A 五相三双十拍 AB→ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB
二、步进运行状态（单脉冲运行状态） 当接入控制绕组的脉冲频率较低，电机转子完成一步之后，下 一个脉冲才到来，电机呈现出一转一停的状态，故称之为步进 运行状态。 1、步进运行状态过程负载 TL=0（即空载）
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A相通电时，-π<θ<π为静稳定区，当A相绕组断电转到B相绕组通电 时，新的稳定平衡点为b，对应于它的静稳定区为-π+θb<θ<π+θb （图中θb=2/3π）,在换接的瞬间，转子的位置只要停留在此区域内， 就能趋向新的稳定平衡点b，所以区域（-π+θb，π+θb）称为动稳定 区，显而易见，相数增加或极数增加，步距角愈小，动稳定区愈接 近静稳定区,即静、动稳定区重叠愈多，步进电机的稳定性愈好。
A相通电时，有
Ua
ra ia
d(Laia ) dt
一文搞懂步进电机特性原理及驱动器设计
一文搞懂步进电机特性原理及驱动器设计1、步进电机的概念步进电机是将电脉冲信号，转变为角位移或线位移的开环控制电机，又称为脉冲电机。
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。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，它就可以驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”。
步进电机的旋转是以固定的角度一步一步运行的，可以通过控制脉冲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，从而达到调速的目的。
步进电机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置。
2、步进电机的特点步进电机工作时的位置和速度信号不反馈给控制系统，如果电机工作时的位置和速度信号反馈给控制系统，那么它就属于伺服电机。
相对于伺服电机，步进电机的控制相对简单，但不适用于精度要求较高的场合。
步进电机的优点和缺点都非常的突出，优点集中于控制简单、精度高，缺点是噪声、震动和效率，它没有累积误差，结构简单，使用维修方便，制造成本低。
步进电机带动负载惯量的能力大，适用于中小型机床和速度精度要求不高的地方，缺点是效率较低、发热大，有时会“失步”。
优缺点如下所示。
优点：1. 电机操作易于通过脉冲信号输入到电机进行控制；2. 不需要反馈电路以返回旋转轴的位置和速度信息（开环控制）；3. 由于没有接触电刷而实现了更大的可靠性。
缺点：1. 需要脉冲信号输出电路；2. 当控制不适当的时候，可能会出现同步丢失；3. 由于在旋转轴停止后仍然存在电流而产生热量。
3、步进电机的分类在相同电流且相同转矩输出的条件下，单极型步进电机比双极型步进电机多一倍的线圈，成本更高，控制电路的结构也不一样，目前市场上流行的大多是双极型步进电机。
步进电机在构造上通常主要按照转子特点和定子绕组进行分类，下面将详细介绍这两种类型的分类。
按照转子分类，有三种主要类型：反应式（VR型）、永磁式（PM型）、混合式（HB型）。
步进电机基础知识
什么是步进电机？步进电机：也称脉冲电机，是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。
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，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲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，从而达到调速的目的。
基本原理通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。
该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。
当定子的矢量磁场旋转一个角度。
转子也随着该磁场转一个角度。
每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。
它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。
改变绕组通电的顺序，电机就会反转。
所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。
电机开环控制一种控制电机、不使用反馈回路、就能进行速度控制及定位控制，即所谓的电机开环控制。
步进电机开环控制原理定子一相绕组流过直流电流，最近该相的转子齿被定子相吸引，电磁转矩大于负载转矩从而使转子运动。
电机基本分类按电压种类分:AC（交流）驱动、DC（直流）驱动。
按旋转速度与电源频率关系分：同步电机、异步电机。
步进电机概要1.步进电机的地位步进电机属于：DC驱动的同步电机，但无法直接用DC或AC电源来驱动，需要配备驱动器。
2.步进电机驱动电路的功能驱动电路任务：按顺序指令切换DC电源的电流流入步进电机的各相线圈。
驱动电路将电机定子与DC电源连接在一起工作。
驱动器（驱动电路）由决定换向顺序的控制电路（或称为逻辑电路）与控制电机输出功率的换相电路（或称为功率电路（Power stage））组成。
步进电机
原理：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。
优点
（1）直接实现数字控制；
（2）控制性能好； （3）无接触式； （4）抗干扰能力强； （5）误差不长期积累；
1.3.3 单步运行特性
1.单步运行时的矩角特性和稳定区 以三相单三步运行方式为例，设电机空载时，A相通电 时的矩角特性如图4中的曲线A所示，转子处于稳定平衡点 OA。如加一脉冲，A相断电，B相通电，则矩角特性变为曲 线B。 M
A
A
B
B
OB OA
A
B
θ
b
θ定区
步进电动机的步距角θ b由转子齿数、定子相数和通电 方式所决定，即
360 b mCZ k
式中m为相数。C为状态系数，采用单、双拍通电方式时 C＝2，采用单拍或双拍通电方式时C＝1。ZK为转子齿数。
若步进电动机所加的通电脉冲频率为f，则其转速为
60 f n mCZ k
1.3 静态运行特性
步进电动机不改变通电状态下的运行特性称
M B M max sin(e 120)
MB 与MA 相距120°电度角。这是一条与A相特性完全相同， 但相位上相差120°（电度角）的特性。当A、B同时通电时，合 成矩角特性应为二者之叠加，即
M AB M A M B M max sin(e 60)
可见MAB是一条幅值与单相通电时相同，相移60°电度角(θt/6) 的正弦曲线，如图3中曲线MAB所示。
1.3.4 连续运行特性
步进电机的参数及特性解读
1.步距误差
是指空载时实测的步距角与理论的步距角之差。
它反映了步进电动机角位移的精度。
国产步进电动机的步距误差一般在±10′～±30′范围内，精度较高的步进电动机可达±2′～±5′。
2.最大静转矩
是指步进电动机在某相始终通电而处于静止不动状态时，所能承受的最大外加转矩，亦即所能输出的最大电磁转矩。
它反映了步进电动机的制动能力和低速步进运行时的负载能力。
3.启动矩频特性
是指步进电动机在有外加负载转矩时，不失步地正常启动所能接受的最大阶跃输入脉冲频率（又称启动频率）与负载转矩的对应关系。
4.启动惯频特性
是指步进电动机带动纯惯性负载启动时，启动频率与转动惯量之间的关系。
5.运行矩频特性
是指步进电动机运行时，输出转矩与输入脉冲频率的关系。
选用步进电动机时，应使实际应用的运行频率与负载转矩所对应的运行工作点位于运行矩频特性之下，才能保证步进电动机不失步地正常运行。
6.步进运行和低频振荡
当输入脉冲频率很低时，脉冲周期如大于步进电动机的过渡过程时间，步进电动机就会处于一步一停的运行状态，这种运行状态称为步进运行。
步进电动机都有一较低的固有频率，当步进运行频率或低速运行频率与该固有频率相等或接近时，就会产生共振，使步进电动机振荡不前，这种现象称为低频振荡。
避免低频振荡的现象发生采用的方法：
一种是使运行频率避开固有频率，二是前一方法不允许时，可通过调节步进电动机上的阻尼器来改变固有频率。
7.最大相电压和最大相电流
分别是指步进电动机每相绕组所允许施加的最大电源电压和流过的最大电流。
步进电机的基本特性-静态、动态、暂态转矩特性
步进电机的基本特性:静态、动态、暂态转矩特性步进电机的基本特性包括电机静态特性、连续运动特性（动态特性）、电机启动特性和电机制动特性（暂态特性）。
下面分别作介绍：静态转矩特性步进电机的线圈通直流电时，带负载转子的电磁转矩（与负载转矩平衡而产生的恢复电磁转矩称为静态转矩或静止转矩）与转子功率角的关系称为角度-静止转矩特性，这就是电机的静态特性。
如下图所示：因为转子为永磁体，产生的气隙磁密为正弦分布，所以理论上静止转矩曲线为正弦波。
此角度-静止转矩特性为步进电机产生电磁转矩能力的重要指标，最大转矩越大越好，转矩波形越接近正弦越好。
实际上磁极下存在齿槽转矩，使合成转矩发生畸变，如两相电机的齿槽转矩为静止转矩角度周期的4倍谐波，加在正弦的静止转矩上，则上图所示的转矩为：TL=TMsin[(θL/θM)π/2]其中TL与TM各表示负载转矩和最大静止转矩（或称把持转矩），相对应的功率角为θL和θM，此位移角的变化决定了步进电机位置精度。
根据上式得到：θL=(2θM/π)arcsin(TL/TM)PM型永磁步进电机和HB混合式步进电机的步距角θs在前面的课程中讲过即：θs=180°/PNr，角度改为机械角度（弧度），则变成下式：θs=π/(2Nr)上式Nr为转子齿数或极对数，所以两相电机θM=θs。
负载转矩为电磁转矩的负载（如弹簧力或重物的提升力等），电机如要正反向运动，会产生2θL的角度偏差，要提高位置精度，θL就要小，因此，依据式θL=(2θM/π)arcsin(TL/TM)，应选择最大静止转矩Tm大、步距角θs小的步进电机，即高分辨率电机。
根据式θs=π/(2Nr)可知，要使θs越小，Nr越大越好。
另外，高分辨率的步进电机的转子结构大致分为PM型、R型、HB型三种，其中HB型分辨率最好。
由于PM型定子磁极为爪级结构的关系，定子磁极数的增加受到机械加工的限制。
HB型转子表面无齿，N极与S极在转子表面交替磁化，因此极数即为极对数Nr，同样的，转子磁极Nr的增加也受到充磁机械的限制。
步进电机工作原理特点及应用
步进电机工作原理,特点及应用-步进电机工作原理,特点及应用一、前言步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
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。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。
仅仅处于一种盲目的仿制阶段。
这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。
签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。
叙述其基本工作原理。
望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。
二、感应子式步进电机工作原理（一）反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。
下面先叙述三相反应式步进电机原理。
1、结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。
0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：2、旋转：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。
由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。
而方向由导电顺序决定。
不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。
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。
第九章-步进电动机传动控制系统
是电机作单步运动
所能带动的极限负载，也称为极限启动转矩。实际电机所 带的负载转矩TL必须小于极限启动转矩才能运行，即电机 所带负载的阻转矩 TL＜
Tst
步距角减少可使相邻矩角特性位移减少， 就可提高极限
启动转矩Tst，增大电机的负载能力。三相六拍时，矩角特
性幅值不变，而步距角小了一半，故极限启动转矩。
(b) (c) 图 三相六拍运行 (a) A相通电； (b) A、 B相通电；(c) B相通电 第8 页
(a)
③三相双三拍运行
通电方式AB→BC→CA→AB‥，一拍转过30 °。
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步进电动机的结构
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转子齿数 齿距角
z表示.
转子相邻两齿间的夹角，用θ z 表示。 z 拍和步距角
Tst 时，A相通电时，转子处于a”点；改由B相通电 情况2：负载转矩 TL
时，转子不能前进。
图9.6 最大负载能力的确定
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•最大负载转矩（起动转矩）
步进电动机在步进运行时所能带动的最大负载，可由相邻
Tst
两条矩角特性交点所对应的电磁转矩
相邻矩角特性的交点所对应的转矩
Tst
来确定。
T A T sm sin e
则B通电时，距角特性为
T B T sm sin( e 120 )
图 A相、B相定子齿相对转子齿的位置
21
当A、B两相同时通电时合成矩角特性应为
T A B T A T B T sm sin e T sm sin( e 120 ) T sm sin( e 60 )
使各相电流平衡。
VD2及Rf2作用是构成续流电路。
这种电源效率较高，起动和运行频 率也比单一电压型电源要高。
步进电动机的特性步进伺服
步进电动机的特性 - 步进伺服1、步进电机的基本特点反应式步进电动机转速只取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。
步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响（在允许的负载范围内），也不受环境条件（温度、压力、冲击、和振动等）变化的影响，只与把握脉冲同步，同时，它又能依据把握的要求进行启动、停止、反转或转变速度，这就是它被广泛的应用于各种数字把握系统中的缘由。
2、距角特性距角特性是反映步进电动机电磁转矩T随偏转角变化的关系。
这一特性反映了比较电动机带负载的力量，它是电动机的最主要的性能指标之一。
步进电机的运行性能3、静特性所谓静态是指步进电动机不转变通电状态，转子不动时的状态。
步进电动机的静态特性主要指静态矩角特性和最大静转矩特性.。
1.静态矩角特性描述步进电动机静态时电磁转矩T与失调角之间关系的特性曲线称为矩角特性。
步进电动机矩角特性步进电动机最大静转矩特性2.最大静态转矩矩角特性上电磁转矩的最大值称为最大静态转矩。
它与通电状态及绕组内电流的值有关。
在肯定通电状态下，最大静转矩与绕组内电流的关系，称为最大静转矩特性。
当把握电流很小时，最大静转矩与电流的平方成正比地增大，当电流稍大时，受磁路饱和的影响，最大转矩Tmax上升变缓，电流很大时，曲线趋向饱和。
3、动特性步进电动机运行时总是在电气和机械过渡过程中进行的，因此对它的动特性有很高的要求，步进电动机的动特性将直接影响到系统的快速响应以及工作的牢靠性。
它不仅与电动机的性能和负载性质有关，还和电源的特性及通电的方式有关，其中有些因素还是属于非线性的，要进行精确的分析较为困难，通常只能接受近似的方法来争辩。
1.步进运行状态时的动特性开头时，步进电动机的矩角特性为曲线①所示，若电动机空载，则转子稳定在Ol点处。
加一个脉冲，通电状态转变，矩角特性曲线变成曲线②，转子将稳定在新的稳定点O2。
若电动机带负载，先假设负载转矩为T1，则在初始状态时电动机的稳定位置是曲线①上的01'点。
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。
步进电机的工作原理及运行特性
步进电机的工作原理
当A相断电，B相 绕组通电时，磁阻 转矩吸引转子逆时 针方向转动30º， 即转子2、4磁极 与B相磁极对齐，
原理示意图
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步进电机的工作原理
，当B相断电，C 相绕组通电时，磁 阻转矩吸引转子再
逆时针方向转动 30º，使转子1、3 磁极与C相磁极对
齐，
B通电
BB’对2、4极 有拉力，转子2、 4极和B相对齐， 相对于AB通电
旋转了15°
原理示意图
返回目录 运行特性 原理 课堂练习
三相单双三拍运行方式：通电AB—B—BC—C—CA—A—AB
BC通电
BB’对2、4极 有拉力，CC’ 对1、3极有拉 力，转子停在 两拉力的平衡 位置，相对于 B通电旋转了
原理示意图
返回目录 运行特性 原理 课堂练习
步进电机的运行特点
一种通电状态转换到另一种通电状态称为 一拍，每一拍转子转过的角度称为步距角θs， 上述的通电方式称为三相单三拍运行，三相是指 定子为三相绕组，单是指每拍只有一相绕组通电， 三拍是指经过三次切换绕组的通电状态为一个循 环。 三相步进电动机运行方式：
每一拍转子转过的角度称为
，上述的通电方式
称为三相单三拍运行，三相是指定子为三相绕组，单是指
每拍只有一相绕组通电，三拍是指经过三次切换绕组的通
电状态为一个循环。
返回目录 运行特性 原理 课堂练习
课堂练习——电路图
下面题目 被选前， 你可选其 中一题作
答
1、说出步进电机的工作原理。 2、说出三相单三拍运行的运行特征。
返回目录 运行特性 原理 课堂练习
15°
原理示意图
之后是C通电—CA通电……总之，每 个循环周期有溜走六种通电状态，所 以称之为三相六拍，步距角为15°
步进电机与伺服电机的综合比较
步进电机与伺服电机的综合比较步进电机和伺服电机是自动化工业生产中常用的执行电机，其应用领域十分相似，但事实上两者之间是存在一定差异的，本文通过说明两者之间的特点和工作原理，进一步分析了两者之间的区别，给实际生产运用提供了参考。
一、步进电机和伺服电机的主要特点（一）步进电机的主要特点1.步进电机没有积累误差。
一般来说，步进电机的精度大约是其实际步距角的3～5%，且不会累积。
2.步进电机在工作时，电脉冲信号会按一定顺序（例如A-B-C-A-B-C等）轮流加到各相绕组上。
3.步进电机与其它电机不同，其实际工作电压和电流可以超过额定大小，但选择时不应偏离额定值太多。
4.步進电机外表允许的最高温度可以达到80-90° C。
5.步进电机的力矩会随着其频率（或速度）的增大而降低。
6.混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围。
7.可以通过将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可改变其旋转方向。
（二）伺服电机的主要特点1.起动转矩比较大，当一旦给定子提供控制电压，转子就会立即转动，所以伺服电机具有起动快、灵敏度高的特点。
2.运行范围比较广。
3.不会产生自转现象，正常运转的伺服电机一旦失去控制电压，电机立即停止运转。
二、步进电机和伺服电机的工作原理（一）步进电机的工作原理步进电机可以将电脉冲信号转换为机械信号，步进电机每发送一个电脉冲，就可以使其旋转一个固定的角度，称为步距角。
步距角的大小由其转子齿数Zr 和拍数N所决定。
当连续给电机发送多个电脉冲信号时，就可以使其进行连续运行。
此外，可以通过改变发送的电脉冲信号的频率来控制电机转动的速度，从而实现精确定位和调速的目的。
（二）伺服电机的工作原理伺服电机内部也同样由定子和转子组成，其转子是永磁铁，驱动器控制的三相电首先在定子绕组中形成电磁场，而转子在这种电磁场的作用下发生旋转，与此同时伺服电机通过编码器将转动信号反馈给驱动器，通过闭环调节在驱动器内调整转子转动的角度，从而实现精确的定位控制。
步进电机实验报告
一、实验目的1. 了解步进电机的工作原理和特性；2. 掌握步进电机的驱动方式和控制方法；3. 熟悉步进电机在不同控制方式下的运行特点；4. 提高电子电路设计、调试和故障排除能力。
二、实验原理步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行元件，其特点是步进角小、定位精度高、响应速度快。
步进电机主要由转子、定子和控制电路组成。
1. 转子：由永磁材料制成，具有多个均匀分布的齿；2. 定子：由铁芯和线圈组成，线圈分为若干相，每相对应一组线圈；3. 控制电路：产生脉冲信号，驱动步进电机转动。
步进电机的驱动方式主要有两种：直流驱动和交流驱动。
本实验采用直流驱动方式，通过控制线圈电流的通断，使步进电机产生旋转。
三、实验仪器与设备1. 步进电机实验装置一套；2. 电源一台；3. 信号发生器一台；4. 示波器一台；5. 电流表一台；6. 电压表一台；7. 集成电路测试仪一台。
四、实验内容及步骤1. 步进电机工作原理观察（1）观察步进电机转子与定子齿的相对位置；（2）分析步进电机转动过程中的齿对齿的相互作用。
2. 步进电机驱动电路设计（1）根据步进电机型号，设计驱动电路，包括电源、驱动芯片、驱动线圈等；（2）连接电路，检查无误后通电测试。
3. 步进电机控制方法实验（1）观察步进电机在不同控制方式下的运行特点，如正转、反转、慢速、快速等；（2）调整控制参数，使步进电机满足实验要求。
4. 步进电机运行特性分析（1）观察步进电机在不同转速下的运行情况；（2）分析步进电机转速与控制脉冲频率的关系；（3）研究步进电机负载变化对转速的影响。
5. 步进电机故障排除（1）观察步进电机运行过程中的异常现象；（2）分析故障原因，如驱动电路故障、控制程序错误等；（3）进行故障排除，确保步进电机正常运行。
五、实验结果与分析1. 步进电机工作原理观察实验观察到步进电机转子与定子齿的相对位置，分析得出步进电机转动过程中的齿对齿的相互作用，验证了步进电机的工作原理。
任务6 步进电动机特性及常见问题
5、启动惯频特性 启动惯频特性
在负载转矩ML=0的条件下，步进电动机由静止状态突然启动，
不丢步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，称为启动 频率或突跳频率，超过此值就不能正常启动。启动频率与机械 系统的转动惯量有关，包括步进电动机转子的转动惯量，加上 其它运动部件折算至步进电动机轴上的转动惯量。下图表示启 动频率与负载转动惯量之间的关系。随着负载惯量的增加，起 动频率下降。若同时存在负载转矩ML；则起动频率将进一步降 低。在实际应用中，由于ML的存在，可采用的启动频率要比惯 频特性还要低。
Nm 绕组并联
绕组串联 0 f
步进电机矩频特性
• • • •
6 4
• •
• •
A B
4、步Байду номын сангаас电机的空载起动频率:
让步进电机空载,在步进电机轴伸处作一标记, 由世纪星设置步进电机整数转的位移(例如1...转 ×脉冲数/转)和速度,且加减速时间常数也设置为 零.步进电机处于锁定状态下,执行上述命令,步进 电机突然起动并突然停止,从轴伸标记判断步进电 机是否失步.若起动成功,则提高速度参数再测试, 直至某一临界速度,并由此速度换算为步数/秒,即 为电机的空载起动频率.
1） 步进电机为什么会发热
对于各种步进电机而言， 对于各种步进电机而言，内部都是由铁芯和绕组线圈组 成的。 成的。 绕组有电阻，通电会产生损耗， 绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流 的平方成正比，这就是我们常说的铜损， 的平方成正比，这就是我们常说的铜损， 铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗， 铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其 大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。 大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。 铜损和铁损都会以发热的形式表现出来， 铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机 的效率。 的效率。 步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低， 步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低， 电流一般比较大，且谐波成分高， 电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速 而变化，因而步进电机普遍存在发热情况， 而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交 流电机严重。 流电机严重。
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
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动态稳定区：(-p+qse)<q<(p+qse)
a点与o0点之间的夹角qr称为稳定裕度(或裕量角)。裕量角越
大，电动机运行越稳定。
qr
=p
q se
=p
2p
mZ r C
Zr
=
p
mC
(mC 2)
由上式可见，C=1时，反应式步进电动机的相数最少为3。 电动机的相数越多，步距角越小，相应的稳定裕度越大， 运行的稳定性也越好。
➢4.6 步进电动机控制与应用
一、步进电动机的控制
开环控制
闭环控制
二、 步进电动机的应用
用于数字程序控制系统
数控铣床工作原理示意图
3. 功率驱动电路
➢ 单极性驱动（反应式步进电动机） 单一电压型功率放大电路
优点：线路简单，功率元件少，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动机。如果电 容C选择不当，在低频段会使振荡有 所增加，使低频性能变差。
高、低电压切换型功率放大电路
优点： ✓电源功耗比较小，效率比较高。 ✓矩频特性好，启动和运行频率
功率 放大器
步进 电动机
负载
1. 变频信号源：是一个脉冲频率由几赫到几十千赫可连续 变化的信号发生器，可以是计算机或振荡器。
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，它可能将输入的电脉冲信号根据需要循环地分配 到脉冲放大器进行功率放大，并使步进电动机按选定的 运行方式工作。
三相单三拍脉冲分配器
当负载转矩为零，且不计阻尼作用时，用外力使转子偏离稳 定平衡位置一个小角度，然后释放，则转子将在电磁转矩作 用下向稳定位置运动，形成一个自由振荡，其运动方程为：
J d = T dt
J
d 2q dt2
=
Tmax
sin
qe
qe = Zrq
J Z Tr max
d 2qe dt2
sin qe
=
0
sin qe= dWm
d
q = Zr
L = W = W 2
I
=
1 2
(
d
q )
1 2
(
d
q )cosq
磁导变化曲线
( ) T = dWm d
= 1 I 2 dL
2 d
= 1 (WI )2 d = Zr (WI )2
2
d 4
d q
sin (Zr )
当频率太高时，也会产生 失步，甚至还会产生高频振荡。
连续运行状态
➢起动频率和起动特性 fst
是指一定负载转矩下能够不失步地起动的脉冲最高频率， 它的大小与电动机本身参数、负载转矩及转动惯量的大小， 以及电源条件等因素有关。它是步进电动机的一项重要技术 指标。
fst=f(TL) fst=f(J)
起动矩频特性 起动惯频特性
一、对驱动电源的基本要求
1. 驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都要 满足步进电动机的要求；
2. 要满足步进电动机起动频率和连续运行频率的 要求；
3. 能最大限度地抑制步进电动机的振荡； 4. 工作可靠，抗干扰能力强； 5. 成本低、效率高，安装维护方便。
二、驱动电源组成
指令
变频 信号源
脉冲 分配器
在反应式步进电动机中，转子一个齿距所对应的度数为2p电 弧度或360o电角度； (3)矩角特性：在不改变通电状态(即控制绕组电流不变)时，
步进电动机的静转矩与转子失调角的关系，即T=f(q)
定子
转子 q=0, T=0; q>0, T<0 ;
q<0, T>0;
q=p, T=0
当只有一相绕组通电时，储存在电机气 隙中的磁场能量为
Q1
Q2
J1 Q1
J2 Q2
Q1
U0
CP K1 Q1
CP K2 Q2
Q2
预置
Q2
A B C
A
B
C
JK触发器真值表
J
K Q(t+1) 说 明
1
0
1 置“1”
0
1
0 置“0”
0
0
Q(t) 不变
1
1
Q(t)
求补
C
QQ RS3
SR
65
B
QQ RS2
SR
43
A
QQ RS1
SR
21
三相单、双六拍单转向脉冲分配器
(5)最大静转矩：Tmax=f(I)
Tmax
=K
Zr (WI )2 (d 4
q)
最大静转矩特性
(6) 矩角特性族
T
A
B
C
A
OA
OB
OC
qse
=
2p 3
q
三拍时的矩角特性族
六拍时的矩角特性族
二、动态特性
1. 单脉冲运行
T
C
-p
a
o0
qse
qr
o1
p
静态稳定区
动态稳定区
当加上一个控制脉冲信 号，矩角特性将转移到 矩角特性族中的下一条 矩角特性曲线，转子将 转到新的稳定平衡位置 b o1。在改变通电状态时， q 只有当转子起始位置位 于ab之间才能使它向o1 点运动。因此称区间ab 为电动机空载时的动态 稳定区。
转子振荡过程：
以上分析时认为，切换控制绕组时，转子单调地趋向新的平 衡位置，但实际上要经过一个衰减的振荡过程。
为减小振荡幅度和时间，可 增加阻尼：
•机械阻尼：增加电机转子的 干摩擦阻力或增加粘性阻力。 缺点：增大了惯性，快速性 能变坏，体积增大。
•电气阻尼：多相激磁阻尼、 延迟断开阻尼。优点：方法 简单，效果好。
得到了很大的提高。 主要缺点： ▪ 低频运行时输入能量过大，造
成电机低频振荡加重； ▪ 增大了电源的容量， ▪ 对功率管性能参数的要求高。
常用于大功率步进电动机的驱动
电流斩波驱动放大电路
调频调压驱动方式 (a)低频； (b)高频
细分驱动放大电路 细分电流波形
电流的每个阶梯，电机 转动一步，步距角减小 了很多。
= Tmax sin (Zr ) = Tmax sinq
( ) Tmax
=
Zr (WI )2 d
4
q
步进电动机的矩角特性
(4)静态稳态区：在空载时，稳定平衡位 置对应于q=0处，而q=180度则为不 稳定平衡位置。在静态情况下，如受 外力矩的作用使转子偏离稳定平衡位 置，但没有超出相邻的不稳定平衡点， 则当外力矩除去以后，电动机转子在 静态转矩作用下仍能回到原来的稳定 平衡点，所以二个不稳定平衡点之间 的区域构成静态稳定区。
由此可知，步进电动机能带的最大负载转矩要比最大静转矩 Tmax小。只有当负载转矩小于起动转矩(最大负载转矩)Tst，才 能保证电动机进行正常的步进运动。
若矩角特性为幅值相等的正弦波时，可得：
Tst
= Tmax
sin p qse 2
= Tmax
cos qse 2
= Tmax
cos p mC
当C=1时，m 最小为3；m越大，起动转矩越大；C越大，起 动转矩越大。
➢连续运行频率与运行矩频特性 步进电动机带一定负载正常起动后，连续缓慢地升高脉
冲频率，直到不丢步运行的最高频率，称为运行频率。
f
f
连续运行
起动
0
TL
矩频特性
0
J
起动惯频特性
那么，为什么频率升高后电机的转矩会下降呢？
因为，控制绕组呈电感性，它具有延缓电流变化的 作用。
➢ 4.5 步进电动机的驱动电源
先放大后合成
先合成后放大
➢ 双极性驱动（永磁式和混合式步进电动机）
正负电源供电
单一电源供电
由于双极性驱动电路较为复杂，过去仅用于大功率步进电 动机机。但近年来出现了集成化的双极性驱动芯片，使它能 方便应用于对效率和体积要求较高的产品中。
如：L298双H桥驱动器
由专用芯片构成 的双极性恒流斩 波驱动电路
最大负载转矩(又称起动转矩)：
T
Tst
TL1
-p
o0
o1
p
o'0
o'1
T
o"0
o"1
Tst TL2
-p q
o0
o1
p
q
TL1<Tst
因新的矩角特性曲线上对应点的电磁 转矩大于负载转矩，使转子加速并向 q增大的方向运动，最终到达新的稳 定平衡点o’1.
TL2>Tst
新矩角特性上对应点的转矩小于 负载转矩，转子不能到达新的稳 定平衡点o”1，而是向q减小的方 向运动，因此不能作步进运动。
J Z Tr max
d 2qe dt2
qe
=
0
解为： qe = qe0 cos0t
0 =
Z Tr max J
f0
=
1 2p
Z Tr max J
2. 连续脉冲运行
➢ 极低频--连续步进运行
➢脉冲频率很低时的低频共振
频率介于极低频与高频 之间，此时脉冲间隔较长，电 动机起动和运行一般不会有问 题。但是，如果等于或接近于 步进电动机的振荡频率时，电 动机就会出现低频共振。
* 反应式步进电动机运行特性 一、静态特性
静态运行是指通电状态不变，电机处于稳定状
态时的特性。
静转矩
静特性
矩角特性
静态稳定区
需要清楚的几个名称：
(1)初始稳定平衡位置：指步进电动机在空载情况下，控制
绕组中通以直流电流时，转子的最后稳定位置;