步进电动机

t
0
为提高工作精度，要求步距角小，可通过增 加 N 或 ZR 来实现。但 N 大，则m大，电机、电 源结构复杂，因此通常 ZR 数值大。
控Leabharlann Baidu电机
3. 反应式步进电动机可进行角度控制，也 可进行速度控制。
角度控制时，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，其步数与脉 冲数一致，输出轴转动的角位移量与输入脉冲数 成正比。
单相通电时，通电相极下的齿会产生转矩， 这些齿与转子齿的相对位置及所产生的转矩都是 相同的，故可以用一对定、转子齿的相对位置来 表示转子位置，电机总的转矩等于通电相极下各 θe=0 个定子齿所产生的转矩之和。 当θe=0时转子齿轴线和定 子齿轴线重合，此时定、转子 图 齿之间虽有较大的吸力，但吸 1 1 力垂直于转轴，故电机产生的 转矩为0，如图1所示。
步进电动机转子齿距角 θt 为： θ t = 360o / ZR
360 步距角θb为： b N NZ R
因为电脉冲每循环一次 （经过N拍），转子正好 转过一个齿距，因此每一 个脉冲转过1/N齿距（步距 角）。 N = k m （k=1，2 m = 相数）
t
0
控制电机
360 步距角θb为： b N NZ R
组通电。 “三拍”：每三次换接为一个循环。有三种通电状态 A-B-C-A…… “六拍”：每六次换接为一个
循环。有六种通电状态。
A-AB-B-BC-C-CA原理动画 A……
控制电机
三、基本特点
1. 步进电动机工作时，每相绕组不是恒定的通 电，而是由专门的驱动电源供给，通过“环形分 配器”按一定规律轮流通电。这种通电方式称为 “分配方式”。不管分配方式如何，每循环一次， 控制电脉冲个数总等于拍数N，而加在每相绕组 上的脉冲电压个数却等于1，因而控制绕组电脉冲 频率f是每相绕组脉冲电压频率 f相 的N倍，即
控制电机
设转子失调角θe 起始点（=0）在A相定子齿 轴线处，则A相通电时的矩角特性是一条过 0点的正弦曲线，可以用下式表示 TA= -Tjmax sin θe B相通电时的矩角特性也是一条正弦曲线， 但其平衡位置落后A的一个步距角（电角 度120） TB= -Tjmax sin （θe –120 o ）
控制电机
第 7 章 步 进 电 动 机
中国矿大信电学院
第7章
和基本特点
步进电动机
7.1 反应式步进电动机的工作原理
7.2 反应式步进电动机的运行特性
7.3 步进电动机主要性能指标和技术数据 7.4 步进电动机的应用举例
第7章
本章要求：
步进电动机
熟练掌握步进电动机的工作原理,熟悉步进电 动机的基本特点。 熟练掌握步进电动机的矩角特性和静态转矩。 熟悉并掌握步进电动机的单步运行状态。 熟练掌握步进电动机的连续脉冲运行和运动特性
7.2 反应式步进电动机的运行特性 一、 矩角特性和静态转矩 控制脉冲停止时，如果 1. 静止状态： 某相绕组仍通入恒定不变的 电流，将转子固定于某一位 置上，保持不动。 2. 自锁： 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。即： 电机能可靠地锁在静止位置的 功能。
控制电机
当 A、B 两相同时通电时，合成距角特性 应为两者相加，即 TAB= TA + TB = -Tjmax sin （θe –60 o ）
T TA TAB TB
转矩向量图
TA
TAB 0
60o
120o
θe TB
单相、两相通电时的距角特性
控制电机
三相步进电动机两相同时通电时，最大静 态转矩值与单相通电时的最大静态转矩值 相等。也就是说，对三相步进电动机来说， 不能依靠增加通电相数来提高转矩，这是 三相步进电动机一个很大的缺点。
步进电动机

f = N f相
脉冲分配 器和功放
控制电机
下图为一台四相步进电动机，设其为 四相单四拍运行。转子上共有50个齿，计 算其齿距角 θ t和步距角θb 。
A
B
C
D
八拍运行？
360 t 7.2 ; 50
360 b 1.8 4 50
控制电机
2. 每输入一个电脉冲信号，转子转过的角 度称步距角，用 θb 表示。 （ZR为转子齿数）
控制电机
当电机带恒定负载时，A相通电，转子停 在失调角为θea 的位置上，此时电磁转矩TA与 负载转矩TL相等转子处于平衡。如果送入控制 脉冲，转换到B 相通电，则转子所受的有效转 矩为电磁转矩TB与负载转矩TL之差，转子在此 T 转矩的作用下转动。
TA TL
a
TB
o
bθ be
TB
TABC
T 2 Tj max sin e be） （
Tn Tj max sin e n 1）be） （ （
T 1 n T 1 T 2 Tn n sin m sin[e n 1 ] Tj max m sin m
TC
T TA TAB TB θe
0
60o
120o
控制电机 若不用三相， T T TAB BC 而用更多相时， 多相通电是否 TB TC TA 能提高转矩呢？ θe
0
五相步进电动机的
单相、两相、三相通电时矩角特性
控制电机 TAB TA
m 相电机，n 相同时通电距角特
性的一般表达式：
T 1 Tj max sin e
θe= π/2 θe= 3π/2 θe= π
T1
1
1
T1 1
控制电机
当θe>π时，电磁转矩改变方向，外转 矩也改变方向，变为负值。当θe= 3π/2时， 外转矩达到负的最大值。
θe= π θe=5π/4
θe = 3π/2
T1
1 1
T1 1
控制电机
θe继续增加，电磁转矩反向减小，与其 平衡的外转矩也变小，直到θe= 2π时， 外转矩又变成0值。转子转动一个齿距 （ 一对极距，即2π电角度） θe= 2π θe = 7π/4 θe = 3π/2
控制电机
n = ( f θ b )/6o r/min 频率f一定时，步距角越小，转速越低，电 机输出功率越小。从提高加工精度上要求，应 选用小的步距角，但从提高输出功率上要求， 步距角又不能取的太小。一般步距角应根据系 统中应用的具体情况进行选取。
控制电机
4. 步进电动机具有自锁能力
当控制电脉冲停止输入，而让最后一 个脉冲控制的绕组继续通直流电时， 电机可以保持在固定的位置上。这样， 步进电动机可以实现停车时转子定位。
熟悉步进电动机的主要性能指标。
控制电机 7.1 反应式步进电动机的工作原理和基本特点 一、概述 步进电动机称为脉冲电动机，是数字控制系 统中的一种执行元件。其作用是将脉冲电信 号转换为角位移或直线位移。 步进电动机角位移与脉冲k成正比。 步进电动机速度与脉冲频率成正比。 具有同步特性。 步进电动机 n n
T1 1
T1
1
1
控制电机
由于步进电机所产生的转矩是与外转矩相 平衡的，因此上述外转矩随失调角θe变化的规 律，就是步进电机产生的静态转矩T 随失调角 θe的变化规律。这个规律即T = f（ θe ）曲线， 称为步进电机的距角特性。其形态近似正弦曲 θe= π/2 线。
T
π/2 0 π 3π/2 θe
脉冲分配 器和功放
控制电机
n =（60 f）/（N ZR ）r/min 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。当转子齿数一定时， 转子的转速和转向就由脉冲频率和通电顺序决定。 因此，改变电脉冲输入的情况，就可方便的控制 电动机的正、反转，快速启动，制动以及改变转 速的大小。 步进电动机 f b 60 f 360 60 f 的转速还可用步 n NZ R NZ R 360 6 距角来表示，用 步距角表示转速 则为：
T1
1
控制电机
步进电动机距角特性上的静态转矩最大 值Tjmax表示了步进电动机承受负载的能力， 它与步进电动机很多特性的优劣有直接的关 系。是步进电动机的最主要性能指标之一。
T π/2 -π/2 0
θe= π/2
θe
图 2
T1
1
控制电机
6. 多相通电的距角特性：
按叠加原理，多相通电时的矩角特性 近似的可以由各自通电时的矩角特性叠加 起来求出。 现推导三相步进电动机两相同时通电 时的距角特性。
TA TAB T TB
θe
0
60o
120o
控制电机
空载时，转子停在θe = 0 位置，此时B 相通电， TBa= Tjmax sin 120 o 转矩从o到a，转矩为 转子从 0 移动到θeb（ 120o电角度）电机前进了一 T 步。
TA TB a 一步
o
TC
一步
θeb
2θeb
θe
如果不断送入控制脉冲，电机就不断地一步一 步转动。此即步进电动机空载作单步运行的情况。
图 2
T1
1
控制电机 T π/2 0 π 3π/2 θe 转子位置不同， 电机产生的转矩 是不同的。
当θe<+π时，转矩的方向是使转子位置趋 向失调角为0，与θe角增加的方向相反，故取转 矩为负值。当θe > +π时，转矩的方向与θe角增 加的方向相同，故取转矩为正值。 θe= π/2
T1
1
θe=5π/4
步进电动机
k
脉冲分配 器和功放
控制电机
速度控制时，送入步进电动机的是连续脉冲， 各相绕组不断的轮流通电，步进电动机连续运转， 转速与脉冲频率成正比，每输入一个脉冲，转子 转过整个圆周的 1 /（N ZR ），也就是转过 1 /（N ZR ）转，故转速为：
60 f n NZ R

n f
步进电动机
控制电机
3. 齿距角： 一个齿距对应的角度，称为齿 距角θ t 。其电角度相当于一对 极距，即齿距角θ t e =2π rad。 θe 4. 失调角： 定子齿轴线与转子齿轴 线之间的夹角，称为失调角 θ e 。通常用电角度表示。
转子
θe =0 时的位置称稳 定平衡位置或协调位置。
θte
控制电机
5. 单相通电的距角特性：
控制电机
二、单步运行状态
1 什么是单步运行状态？
输入脉冲频率非常低，加第二脉冲之前，前 一步已经走完，转子运行已经停止的运行状态。
2 步进电动机的单步运行
TA TAB T TB θe
0
60o
120o
控制电机
图中失调角θe 是 A 相定子齿轴线与 转子齿轴线之间的夹角。θe = 0是 A 相定 子齿轴线与转子齿轴线相重合时的转子位 置，称平衡位置。
五相步进电动机转矩向量图
控制电机
m 相电机，n 相同时通电时转矩最大
值与单相通电时转矩最大值之比 n sin Tj max（1 n） m Tj max sin m 五相电动机两相通电时转矩 最大值为 sin 2
Tj max( AB ) sin

5 Tj max 1.62Tj max 5
控制电机
二、工作原理
步进电动机的工作原理是磁通总是走磁阻最小的 路径,由于磁力线的扭曲而产生拖动转矩。 三相反应式步进电动机按通电方式的不同，每步转动不 同的角度。下面以三相单三拍为例，说明其工作原理。
控制电机
三相步进电动机具有三相单三拍、三相六 拍和三相双三拍运行状态。 “三相”：步进电动机具有三相定子绕组。 “单、双”：每次只有一相（单）或两相（双）绕

Tem
f
k 脉冲分配
器和功放
控制电机
步进电动机的驱动需要结合数字技术、 计算机技术和电力电子技术。 步进电动机被广泛应用于需要精确定 位和定速的控制系统中，例如数控机床、 绘图仪器、机器人等领域。
步进电动机
脉冲分配 器和功放
二、典型结构
步进电动机按 励磁方式可分为反 应式、永磁式和感 应子式，其中反应 式结构简单，使用 普遍。右图为一台 三相反应式步进电 动机的典型结构图。
控制电机
五相电动机三相通电时转矩最大值为 3 sin 5 Tj max 1.62Tj max Tj max( ABC ) sin 5 一般而言，除了三相外，多相 电机的多相通电都能提高输出 转矩，故一般功率较大的步进 电动机（称为功率步进电动机） 都采用大于三相的电动机，而 且是多相通电的分配方式。
控制电机
在外力的作用下，转动转子使θe 增加， 磁力线被扭曲产生电磁转矩增加，与其 平衡的外转矩也增大,当θe = π/2 (即1/4齿 距角)时转矩最大。
θe= 0 θe= π/4 θe= π/2
T1
1 1
T1
1
T1
控制电机
继续增加θe ，电磁转矩反而减小，与其 平衡的外转矩也变小，直到θe = π时，外 转矩又为0。