2.5、步进电机 2.5.1、概述 步进电机（又称脉冲电机），将电脉冲信 号转换为相应的角位移或直线位移。属 同步电机。 步进电动机 出轴 (控制电球冲 00 000 00 视制电味种 冲分配器 n 和功教 步进的含义 特点 以数控机床为例，数控机床对步进电机的要 步进的由来：一个脉冲→一个单位角度 求： 改变脉冲的频率，即改变了电机的转速 能迅速起动、宽范围内调速；步距小、不丢 步：输出转矩可直接带动负载 步距角：每输入一个电脉冲，步进电机 转子所转过的相应角位移。 步进电机优点 缺点 分类 ◆脉冲量控制，易实现数字控制 ◆步距固定， ◆控制性能好：开环控制，有闭环 分辨率有限 ◆磁阻式 效果，起动快速 ◆无电刷和换向器 ◆功率不大 ◆永磁式 ◆抗干扰性能好（在负载能力范围 内，不受电压大小、贫载天尔、 ◆不能达到很 ◆永磁感应式 温度变化等影响) 高的转速 ·路粉劈 (一般小于 3000r/min ·是南翠煲禧是 ) 后一 的电流) 1
1 2.5、步进电机 2.5.1、概述 步进电机（又称脉冲电机），将电脉冲信 号转换为相应的角位移或直线位移。属 同步电机。 步进的含义 步进的由来：一个脉冲 → 一个单位角度 改变脉冲的频率，即改变了电机的转速 步距角：每输入一个电脉冲，步进电机 转子所转过的相应角位移。 特点 以数控机床为例，数控机床对步进电机的要 求： 能迅速起动、宽范围内调速；步距小、不丢 步；输出转矩可直接带动负载 步进电机优点 脉冲量控制，易实现数字控制 控制性能好：开环控制，有闭环 效果；起动快速 无电刷和换向器 抗干扰性能好（在负载能力范围 内，不受电压大小、负载大小、 温度变化等影响） 无积累误差（一转内可能会有误 差，但每转一转的积累误差为 零。） 具有自锁能力（磁阻式，保持最 后一拍的控制绕组继续通入恒定 的电流） 步距固定， 分辨率有限 功率不大 不能达到很 高的转速 （一般小于 3000r/min ） 缺点 分类 磁阻式 永磁式 永磁感应式
典型应用 2.5.2、磁阻式（反应式)步进电 机 数控机床、打印机、绘图 机等的相关驱动 数字流量 阀=步进 电机+流 量阀 结构 单段式图例：三相 磁阻式电机 与磁阻式同步电机相仿。不同处： ◆单段式：径向分相式，较典型。 ◆同步电机由多相正弦电流通入多相 ◆多段式：轴向分相式，每一组定子铁心中放置一相环形 绕组，产生旋转磁场 的控制绕组，定子或转子铁心每两相邻段错开1/齿距。 ◆步进电机由通电相控制绕组使该磁 极建立磁场，并按一定顺序给各相通 三相反应式步进地机的站构示喜国 电，形成步进式旋转磁场。 磁通的性质： 尽量把自己收 三段式 缩到最短，使 磁通所经过路 径的磁阻为最 小。 步距角细化 以三相磁阻式电机为例 的结构 转子铁 定子：软磁矽钢片叠 成的定子铁心、 、（每相两 . 极) 定子 均 布 的小齿， 齿宽和齿 C6) 瞪之 般为 0.32-0.38。 4相通电→转子齿13轴线对齐→B相通电→转子齿24 转子：软磁材料的铁 轴线与之对齐（转子逆时针转过30°）→C相通电 绕组 转子齿13轴线与之对齐（转子逆时针转过30°）一A B-C-A... 布的小齿。 若电机通电顺序改变(A-C-B-A.),转子旋向改变。 2
2 典型应用 数控机床、打印机、绘图 机等的相关驱动 数字流量 阀=步进 电机+流 量阀 2.5.2、磁阻式（反应式）步进电 机 结构 单段式：径向分相式，较典型。 多段式：轴向分相式，每一组定子铁心中放置一相环形 的控制绕组，定子或转子铁心每两相邻段错开1/m齿距。 三段式 单段式图例：三相 磁阻式电机 三相反应式步进电机的结构示意图 A' A 1 4 2 3 与磁阻式同步电机相仿。不同处： 同步电机由多相正弦电流通入多相 绕组，产生旋转磁场 步进电机由通电相控制绕组使该磁 极建立磁场，并按一定顺序给各相通 电，形成步进式旋转磁场。 磁通的性质： 尽量把自己收 缩到最短，使 磁通所经过路 径的磁阻为最 小。 步距角细化 的结构 定子：软磁矽钢片叠 成的定子铁心、绕 组（每相两个磁 极）、定子磁极的 内圆弧上开有均布 的小齿，齿宽和齿 隙之比一般为 0.32~0.38。 转子：软磁材料的铁 心，无绕组。转子 外圆周上也开有均 布的小齿。 以三相磁阻式电机为例 A相通电 → 转子齿13轴线对齐 → B相通电 → 转子齿24 轴线与之对齐（转子逆时针转过30°）→ C相通电 → 转子齿13轴线与之对齐（转子逆时针转过30°）→ AB-C-A… 若电机通电顺序改变（A-C-B-A…），转子旋向改变
“相”和“拍”的概念 例： “相”：绕组 “拍”：定子控制绕组每改变一次通电方式，为 三相单三拍：“单”，指每次只有一相控制绕组 一拍。 通电：“三拍”，指经过三次切换控制绕组的 相和拍的关系：拍数等于相数：或拍数等于 通电状态为一个循环。 相数的二倍。 三相六拍：A-AB-B-BC-C-CA-A- 三相双三拍（双：每次通电时有两相通电） 两相同时通电工作方式 几种“角”的概念 0° 30 -30° ◆齿距角：转子相邻两齿中心线的夹角 ◆步距角：每一脉冲下转子转过的相应角度 ◆极距角：每个N极或S极下的角度 注意：上述角之间的大小关系？ 特点：换接通电状 通电顺序：AB-BC-CA-AB 态时，总有一相绕 组始终通电 反转：通电顺序： 效果：运行可靠， 减小失步、振荡、 AB-CA-BC-AB 运行不稳 齿距角 步距角 360° 6,= Z. 设N为拍数，则有 式中，Z为转子齿数。为实现自动错位，该 控制脉冲频率f=每相脉冲电压频率f相×N 齿数有下式要求： 步距角： 或： Z,=2pkK±2 名=K士是 层片罗 2p 71 式中，K为正整数，m、p分别为阳数和极对 其中，日，为齿距角 数，m=p。 极距角 每极下的转子齿数为非整数 0。=360°/2m) 3
3 “相”和“拍”的概念 “相”：绕组 “拍”：定子控制绕组每改变一次通电方式，为 一拍。 相和拍的关系：拍数等于相数；或拍数等于 相数的二倍。 例： 三相单三拍：“单”，指每次只有一相控制绕组 通电；“三拍”，指经过三次切换控制绕组的 通电状态为一个循环。 三相六拍：A – AB – B – BC – C – CA – A – ··· 三相双三拍（双：每次通电时有两相通电） 通电顺序：AB – BC – CA – AB 反转：通电顺序： AB –CA –BC – AB A A' B C C' 1 2 3 4 B' A' B' C B C' 3 4 1 2 A 0° 30° A' B' C B C' 3 4 1 2 A －30° 两相同时通电工作方式 特点：换接通电状 态时，总有一相绕 组始终通电 效果：运行可靠， 减小失步、振荡、 运行不稳 几种“角”的概念 齿距角：转子相邻两齿中心线的夹角 步距角：每一脉冲下转子转过的相应角度 极距角：每个N极或S极下的角度 注意：上述角之间的大小关系？ 齿距角 式中，Zr 为转子齿数。为实现自动错位，该 齿数有下式要求： 或： 式中，K为正整数，m、p分别为相数和极对 数，m＝p。 r t Z ° = 360 θ Zr = 2 pK ± 2 m K p Zr 1 2 = ± 每极下的转子齿数为非整数 步距角 设N为拍数，则有 控制脉冲频率f = 每相脉冲电压频率f 相×N 步距角： 其中，θt 为齿距角 r t b N N Z ° = = ⋅ θ 1 360 θ 极距角 360 /(2 ) θ p = ° m
分析 算例 每个极距角下的转子齿数不为整数。 设转子齿数为50，四相8极，极距角为 360°8=45°，该角度范围内的转子齿 若为整数，会怎样？ 数为非整数。意味着什么？ 一无错位，即使有定子步进磁场，转子也 A相磁极与转子齿轴线对齐，则B相将无法 将不会旋转 与转子齿轴线对齐，错开1/4齿距角，即 A-B-C-D-A..→每换接一次通电，转子顺 时针转1/4齿距角： 步距角=360°×-180 504 转子的转速 问题： n=8/0(秒) 转/分) 60f ◆同一个步进电机，可能有两种步距角 360° 吗？ ◆为提高旋转角度的分辨率，可采取什么 措施？ ◆为提高旋转速度，可采取什么措施？ 2.5.3、磁阻式步进电机的特性 一、静特性(1) 失调角：电机转子偏离稳定平衡位置的角 度。 静转矩：步进电机转子静止且控制绕组通以 直流电时，由于失调角存在而引起的转 矩 4
4 分析 每个极距角下的转子齿数不为整数。 若为整数，会怎样？ ——无错位，即使有定子步进磁场，转子也 将不会旋转 算例 设转子齿数为50，四相8极，极距角为 360°/8=45°，该角度范围内的转子齿 数为非整数。意味着什么？ A相磁极与转子齿轴线对齐，则B相将无法 与转子齿轴线对齐，错开1/4齿距角，即 A-B-C-D-A… → 每换接一次通电，转子顺 时针转1/4齿距角: 360 1 1.8 50 4 ° 步距角 ＝ = × ° 转子的转速 60 60 (/) 360 b r f n f Z N = = θ D （秒） 转 分 问题： 同一个步进电机，可能有两种步距角 吗？ 为提高旋转角度的分辨率，可采取什么 措施？ 为提高旋转速度，可采取什么措施？ 2.5.3、磁阻式步进电机的特性 一、静特性 （1） 失调角：电机转子偏离稳定平衡位置的角 度。 静转矩：步进电机转子静止且控制绕组通以 直流电时，由于失调角存在而引起的转 矩
静特性(2) 矩角特性：，静转矩与失 失调角 二、动特性 调角的关系为矩角特 性 1、传递函数 T=-Z,Z,I(NI)sin0 1 式中，Z定子每磁极下 最大普柜 逆时针方向错 T 的小齿数：日为失调 开1/4曲距 角：为铁心长度：N 式中， 为每极控制绕组的匝 逆时针方 T.Z, B 数。 0.= 1/2地距 元/ 5=2T2 留意：负号的含义？ Tm为最大静转矩，Z为转子数， B为阻尼系 数 当日=0时，转子齿轴线和定子齿 轴线重合，定、转子齿之间的吸 初始平物散量 力在圈周方向为0，故电机转矩为0 岁进电机的矩角物性 步进特征的运行 共振问题 当输入信号中的谐波分量等于或接近固有 频率时，可能引起较强烈的振荡，即步 进电机的低频共振。 解决方法： ◆使输入信号频率远低于固有频率 ◆增大阻尼比 2、起动特性 起动矩频特性 步进电机在负载转动惯量及其它条件不变 起动频率：步进电机能无失步起动和停转的 的情况下，起动频率与负载转矩的关 最高频率 系。 运行频率：步进电机在负载条件下能无失步 起动惯频特性：步进电机在负载转矩及其 运行的最高控制频率（通常远高于起动频 它条件不变的情况下，起动频率与负载 率) 转动1f起 Tr J 5
5 静特性 （2） 矩角特性：静转矩与失 调角的关系为矩角特 性。 式中，Zs定子每磁极下 的小齿数； 为失调 角；l为铁心长度；N 为每极控制绕组的匝 数。 留意：负号的含义？ s r NI e T Z Z l( ) λ1 sinθ 2 = − θ e 失调角 当θe=0时， 转子齿轴线和定子齿 轴线重合， 定、 转子齿之间的吸 力在圆周方向为0， 故电机转矩为0 Tsmax 2 π 2 −π T 0 θ e –π π 步进电动机的矩角特性 最大静转矩 初始平衡位置 顺时针方向错 开1/2齿距 顺时针方向错 开1/4齿距 逆时针方 向错开 1/2齿距 逆时针方向错 开1/4齿距 二、动特性 1、传递函数 式中， ， Tm为最大静转矩，Zr 为转子齿数，B为阻尼系 数 1 2 1 ( ) ( ) 2 2 + + = s s s s n n i ω ξ ω θ θ J Tm Zr ω n = T Z J B m r 2 ξ = 步进特征的运行 共振问题 当输入信号中的谐波分量等于或接近固有 频率时，可能引起较强烈的振荡，即步 进电机的低频共振。 解决方法： 使输入信号频率远低于固有频率 增大阻尼比 2、起动特性 起动频率：步进电机能无失步起动和停转的 最高频率 运行频率：步进电机在负载条件下能无失步 运行的最高控制频率（通常远高于起动频 率） 起动矩频特性 步进电机在负载转动惯量及其它条件不变 的情况下，起动频率与负载转矩的关 系。 起动惯频特性：步进电机在负载转矩及其 它条件不变的情况下，起动频率与负载 转动惯量的关系