第九章-步进电动机传动控制系统讲解

第九章 步进电动机传动控制系统
9.1步进电动机的基本结构和工作原理 9.2 步进电动机的运行特性
9.3 步进电动机的驱动控制电路
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概
述
步进电动机（脉冲电动机）---将脉冲电信号变换为相应
的角位移或直线位移的电机，即给一个脉冲电信号，电动机 就转动一个角度或前进一步，角位移与脉冲数成正比，转速 与脉冲频率成正比，转向与各相绕组的通电方式有关。
S
360
zN
360 30 40 * 3
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(3) 步进电动机可按指令进行角度控制和速度控制。 角度控制---每输入一个脉冲，定子绕组就换接一次，输出
轴就转过一个角度，输出轴转动的角位移量与输入脉冲数
成正比。 速度控制---送入步进电动机的是连续脉冲，各相绕组不断 地轮流通电，步进电机连续运转，它的转速与脉冲频率成 正比。每输入一个脉冲，转子转过的角度是整个圆周角的 1/(zN)，因此每分钟转子所转过的圆周数，即转速为：
图1 四相反应式步进电动机的结构
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二、工作原理
当定子的某相绕组通电流时，转子齿因受到定子励磁磁极的吸
引，使极齿中心线方向趋于一致。如果向定子的各个绕组轮流通入 电流，则电动机转子就将按照定子的通电顺序旋转。 以三相反应式步进电机为例：定子6极不带小齿，每两个相对 的极上绕有一相控制绕组，转子4个齿，齿宽等于定子的极靴宽。
进电动机转子就一步步地转动。
当控制脉冲停止时，步进电动机一相或几相通入恒定不变 的电流（可称为直流电流），这时转子将固定于某一位置 上保持不动，称为静止状态。 静止状态时，电机能克服一定的扰动。
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特点：在负载能力范围内不因电源电压、负载大小、环 境条件的波动而变化；适用开环系统中作执行元件；步进电
动机可在很宽的范围内通过改变脉冲频率调速；能够快速启
动、反转和制动。很适合微型机控制，是数字控制系统中的
一种执行元件。
应用：数控机床、绘图机、 轧钢机、记录仪等方面。 基本要求：(1)能迅速启动、正反转、制动和停车，在很 宽的范围内调速； (2)要求一个脉冲对应的位移量小，步距小精度高，
①三相单三拍运行
三相----指步进电机具有三相定子绕组； 单----指每次只有一相绕组通电； 三拍----指三次换接为一个循环， 即按A - B - C - A …… 方式运行的称为三相单三拍运行。
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①三相单三拍运行
当A相通电B、C相不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径
的特点，转子齿1 和3 的轴线与定子 A极轴线对齐。同理断开 A接通B时、 断开B接通C转子转过30°。按A→B→C→A…接通和断开控制绕组转子 就连续转动。 转速取决于控制绕组通、断电的频率，转向取决于通电的顺序。 三 相 单 三 拍 运 行 (a) A相接通； (b) B相接通； (c) C相接通
360
Z
电机通电方式变换一次，称为一拍。N为运行拍数
每输入一个脉冲电信号（每一拍）转子所转过的角度，
称为步距角
s 。
z
360

Z
S
Z 360 N zN
若信号脉冲频率为f，则转子每秒钟转了（f/zN）圈， 故转子每分钟的转速为：
n
60f
zN
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四相单四拍
A →C →B →D…
四相八拍 →
A →AB →B →BC →C →CD →D → DA →A
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3、基本特点
(1) 步进电动机工作时，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。
对于三相步进电动机，环形分配器是一路输入，三路输出。
脉冲电源→环形分配器→放大器→步进电动机
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(2)提高工作精度就要求步距角很小。
n
60f
Z N
(r / min)
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(4) 步进电机具有自锁能力。当控制电脉冲停止输入，让
最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时，转子将固定于
某一位置上保持不动，称为静止状态。静止状态时，即使 有一个小的扰动，使转子偏离此位置，磁拉力也能把转子 拉回来。 综上所述，步进电动机工作时的步数或转速不受电压波动
(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
S
Z 360 N zN
增加拍数N ：增加相数，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，个别也有八相或更多；
增加转子齿数 z：步距角也可减小，所以反应式步进电动机 的转子齿数一般是很多；通常反应式步进电动机的步距角为 零点几度到几度，图9-4 如转子齿数z=40,三相单三拍方式运行，则步距角为
和负载变化的影响(允许负载范围内)，也不受环境条件(温
度、压力、冲击、振动等)变化的影响，只与控制脉冲同步， 同时它又能按照控制的要求，实现启动、停止、反转或改 变转速。因此步进电动机广泛应用于各种数字控制系统中。
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9.2 步进电动机运行特性
静止状态
当控制脉冲不断送入各相绕组按一定程序轮流通电， 步
不得丢步或越步；
(3)输出转矩大，直接带负载。
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分类：按励磁方式分为反应式、 永磁式和混合式等。
反应式步进电动机用得多， 结构简单， 故着重讲述。
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9.1 步进电动机的基本结构与原理
一、基本结构
定子铁心 定子铁心为凸极结构，由硅钢片迭压而成。在面向气隙的
定子铁心表面有齿距相等磁极，磁极上 有小齿。 定子绕组 定子每极上套有一个集中绕 组，相对两极的绕组串联构成一相。步 进电动机可以做成二相、三相、四相、 五相、六相等。 转子 转子由叠片铁心构成，沿圆周有很 多小齿。转子上没有绕组。
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②三相单、双相间六拍运行
供电方式是A→AB→B→BC→C→CA→A …… ，共有 6 种通电状
态，每一循环换接 6 次，这 6 种通电状态中有时只有一相绕组通电(如 A相)即单拍，有时有两相绕组同时通电(如A相和B相)即双拍，故称三 相单、双六拍。 图表示按这种方式对控制绕组供电时转子位置和磁通 分布的图形。