步進電機原理課件

步進電動機

傳動控制系統(tǒng)第13篇步進電動機

傳動控制系統(tǒng)第13篇113.1步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理

步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械位移的機電執(zhí)行元件。步進電動機的分類：工作原理反應式永磁式混合式輸出轉(zhuǎn)矩大小快速步進電機功率步進電機勵磁相數(shù)二、三、四、五、六、八相等角位移輸入脈沖個數(shù)運行速度輸入脈沖頻率13.1步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理

2特點:

(1)來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。(2)控制脈沖頻率，可控制電機轉(zhuǎn)速。(3)改變脈沖順序，可改變轉(zhuǎn)動方向。

步進電機是利用電磁鐵的作用原理，將脈沖信號轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，步進電機轉(zhuǎn)動一定角度，帶動機械移動一小段距離。13.1步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理特點:(1)來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。步進電機是利3

區(qū)別在于勵磁式步進電機的轉(zhuǎn)子上有勵磁線圈，反應式步進電機的轉(zhuǎn)子上沒有勵磁線圈。種類：勵磁式和反應式兩種。下面以反應式步進電機為例說明步進電機的結(jié)構(gòu)和工作原理。13.1步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理區(qū)別在于勵磁式步進電機的轉(zhuǎn)子上有勵磁線圈，反應式步進4步進電動機的工作原理給A相繞組通電時，轉(zhuǎn)子位置如圖（a），轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒一個角度。由于勵磁磁通力圖沿磁阻最小路徑通過，因此對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對齊位置時(圖b)，因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切線力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在這個位置上。由此可見：錯齒是助使步進電機旋轉(zhuǎn)的根本原因。步進電動機的工作原理給A相繞組通電時，轉(zhuǎn)子位置如圖（a）5三相反應式步進電動機的原理結(jié)構(gòu)圖如下：ABCIAIBIC

定子內(nèi)圓周均勻分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成一相。轉(zhuǎn)子有四個齒。定子轉(zhuǎn)子三相反應式步進電動機的原理結(jié)構(gòu)圖如下：ABCIAIBIC613.1.1三相單三拍CA'BB'C'A3412

A相繞組通電，B、C相不通電。由于在磁場作用下，轉(zhuǎn)子總是力圖旋轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，故在這種情況下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對齊。13.1步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理13.1.1三相單三拍CA'BB'C'A34127CA'BB'C'A3412

同理，B相通電時，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過30角，2、4齒和B、B′

磁極軸線對齊；當C相通電時，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過30角，1、3齒和C′、C

磁極軸線對齊。1C'342CA'BB'A13.1步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理CA'BB'C'A3412同理，B相通電時，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)8

這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。

按ABCA……的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動起來。每一拍轉(zhuǎn)過30°(步距角)，每個通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)過90°(一個齒距角)。13.1步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，913.1.2三相六拍按AABBBCCCA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。13.1.2三相六拍按AABBBCC10CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒與A、A'對齊。A、B相同時通電，A、A'磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15，到達左圖所示位置。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A341211CA'BB'C'A3412

B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒與B、B′對齊,又轉(zhuǎn)過15。3412CA'BB'C'AB、C相同時通電，C'、C磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過15。CA'BB'C'A3412B相通電，轉(zhuǎn)子212三相反應式步進電動機的一個通電循環(huán)周期如下：AABBBCCCA，每個循環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15（步距角），一個通電循環(huán)周期(6拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90(齒距角)。與單三拍相比，六拍驅(qū)動方式的步進角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。三相反應式步進電動機的一個通電循環(huán)周1313.1.3三相雙三拍按ABBCCA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時通電。13.1.3三相雙三拍按ABBCCA的順14AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB'C'ACA通電CA'BB'C'A3412與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動時每個通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30(步距角)，一個通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90(齒距角)。AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB15

從以上對步進電機三種驅(qū)動方式的分析可得步距角計算公式：—步距角Zr

—轉(zhuǎn)子齒數(shù)m—每個通電循環(huán)周期的拍數(shù)實用步進電機的步距角多為3和1.5

。為了獲得小步距角，電機的定子、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，如教材圖10.4.4所示。圖中轉(zhuǎn)子表面有40個齒，從以上對步進電機三種驅(qū)動方式的分析可16齒距角是9；定子仍是6個磁極，但每個磁極表面加工有五個和轉(zhuǎn)子一樣的齒。

步進電動機的應用非常廣泛，如各種數(shù)控機床、自動繪圖儀、機器人等。應用：齒距角是9；定子仍是6個磁極，但每個磁極表面加工有五個和1713.2步進電動機的步距角由一個通電狀態(tài)改變到下一個通電狀態(tài)時，電動機轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。T11-2.SWF

＝360/ZKm

其中：Z－轉(zhuǎn)子齒數(shù)

m－定子繞組相數(shù)

K－通電系數(shù)K=1,2若二相步進電動機的Z=100，單拍運行時，其步距角若按單、雙通電方式運行時，步距角13.2步進電動機的步距角由一個通電狀態(tài)改變到下一18由此可見，步進電動機的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z和定子相數(shù)(或運行拍數(shù))愈多，則步距角愈小，控制越精確。當定子控制繞組按著一定順序不斷地輪流通電時，步進電動機就持續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。如果電脈沖的頻率為f(HZ)，步距角用弧度表示，則步進電動機的轉(zhuǎn)速為：13.2步進電動機的步距角由此可見，步進電動機的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z和定子相數(shù)(1913.3步進電動機的主要性能指標1.步距角2.最大工作頻率：在轉(zhuǎn)子不失步的情況下，電動機連續(xù)工作時，輸入脈沖信號的最大頻率。3.最大突跳頻率：在轉(zhuǎn)子不失步的情況下，電動機能增加和減小的最大頻率。4.步距差：理想的步矩角與實際的步矩角之差。5.輸出轉(zhuǎn)矩：電動機軸上的輸出轉(zhuǎn)矩的大小步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩與脈沖頻率的函數(shù)關系稱為矩頻特性。13.3步進電動機的主要性能指標1.步距角2013.4步進電動機的驅(qū)動電源

一、驅(qū)動電源的組成脈沖分配器功放電路三相步進電機負載功率電源分配器電源功放電路功放電路功率放大器步進脈沖方向信號ABC脈沖分配器+功率放大電路13.4步進電動機的驅(qū)動電源一、驅(qū)動電源的組成脈功放電211.脈沖分配器當方向電平為低時，脈沖分配器的輸出按A-B-C的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。

當方向電平為高時，脈沖分配器的輸出按A-C-B的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。

2.功率放大器

將脈沖分配器的輸出信號進行電流放大后給電動機的定子繞組供電，使電動機的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩。1.脈沖分配器當方向電平為低時，脈沖分配器的輸出按A-22二、步進電動機的脈沖分配器步進電動機的脈沖分配器可由硬件或軟件方法來實現(xiàn)。

硬件環(huán)形分配器：由計數(shù)器等數(shù)字電路組成的。有較好的響應速度，且具有直觀、維護方便等優(yōu)點。

軟件環(huán)分：由計算機接口電路和相應的軟件組成的。受到微型計算機運算速度的限制，有時難以滿足高速實時控制的要求。

1.硬件環(huán)形分配器

二、步進電動機的脈沖分配器步進電動機的脈沖分配器可由硬232．軟件環(huán)形分配軟件環(huán)分的方法是利用計算機程序來設定硬件接口的位狀態(tài)，從而產(chǎn)生一定的脈沖分配輸出。

1)輸出接口8031單片機本身包含4個8位I/O端口，分別為P0、P1、P2、P3。輸出接口是將計算機的輸出端與步進電動機的每相繞組一一對應起來。若要實現(xiàn)三相步進電動機的脈沖分配，需要三根輸出口線，本例中選P1口的P1.0、P1.1、P1.2位作為脈沖分配的輸出。2．軟件環(huán)形分配軟件環(huán)分的方法是利用計算機程24三、步進電動機的功率放大電路

步進電動機的功率驅(qū)動電路實際上是一種脈沖放大電路，使脈沖具有一定的功率驅(qū)動能力。由于功率放大器的輸出直接驅(qū)動電動機繞組，因此，功率放大電路的性能對步進電動機的運行性能影響很大。

1.單電壓驅(qū)動電路

L－是電動機繞組VT－開關晶體管

電阻R兩端并聯(lián)電容C，使電流上升更快，所以，電容C又稱為加速電容。二極管V在晶體管VT截止時起續(xù)流和保護作用，串聯(lián)電阻使電流下降更快，從而使繞組電流波形后沿變陡。三、步進電動機的功率放大電路步進電動機的功率驅(qū)動電252.高低壓切換型驅(qū)動電路

高低壓驅(qū)動線路的優(yōu)點是：功耗小，啟動力矩大，突跳頻率和工作頻率高。缺點是：大功率管的數(shù)量要多用一倍，增加了驅(qū)動電源。2.高低壓切換型驅(qū)動電路高低壓驅(qū)動26步進電動機

傳動控制系統(tǒng)第13篇步進電動機

傳動控制系統(tǒng)第13篇2713.1步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理

步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械位移的機電執(zhí)行元件。步進電動機的分類：工作原理反應式永磁式混合式輸出轉(zhuǎn)矩大小快速步進電機功率步進電機勵磁相數(shù)二、三、四、五、六、八相等角位移輸入脈沖個數(shù)運行速度輸入脈沖頻率13.1步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理

28特點:

(1)來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。(2)控制脈沖頻率，可控制電機轉(zhuǎn)速。(3)改變脈沖順序，可改變轉(zhuǎn)動方向。

步進電機是利用電磁鐵的作用原理，將脈沖信號轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，步進電機轉(zhuǎn)動一定角度，帶動機械移動一小段距離。13.1步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理特點:(1)來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。步進電機是利29

區(qū)別在于勵磁式步進電機的轉(zhuǎn)子上有勵磁線圈，反應式步進電機的轉(zhuǎn)子上沒有勵磁線圈。種類：勵磁式和反應式兩種。下面以反應式步進電機為例說明步進電機的結(jié)構(gòu)和工作原理。13.1步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理區(qū)別在于勵磁式步進電機的轉(zhuǎn)子上有勵磁線圈，反應式步進30步進電動機的工作原理給A相繞組通電時，轉(zhuǎn)子位置如圖（a），轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒一個角度。由于勵磁磁通力圖沿磁阻最小路徑通過，因此對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對齊位置時(圖b)，因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切線力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在這個位置上。由此可見：錯齒是助使步進電機旋轉(zhuǎn)的根本原因。步進電動機的工作原理給A相繞組通電時，轉(zhuǎn)子位置如圖（a）31三相反應式步進電動機的原理結(jié)構(gòu)圖如下：ABCIAIBIC

定子內(nèi)圓周均勻分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成一相。轉(zhuǎn)子有四個齒。定子轉(zhuǎn)子三相反應式步進電動機的原理結(jié)構(gòu)圖如下：ABCIAIBIC3213.1.1三相單三拍CA'BB'C'A3412

A相繞組通電，B、C相不通電。由于在磁場作用下，轉(zhuǎn)子總是力圖旋轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，故在這種情況下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對齊。13.1步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理13.1.1三相單三拍CA'BB'C'A341233CA'BB'C'A3412

同理，B相通電時，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過30角，2、4齒和B、B′

磁極軸線對齊；當C相通電時，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過30角，1、3齒和C′、C

磁極軸線對齊。1C'342CA'BB'A13.1步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理CA'BB'C'A3412同理，B相通電時，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)34

這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。

按ABCA……的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動起來。每一拍轉(zhuǎn)過30°(步距角)，每個通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)過90°(一個齒距角)。13.1步進電動機結(jié)構(gòu)與工作原理這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，3513.1.2三相六拍按AABBBCCCA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。13.1.2三相六拍按AABBBCC36CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒與A、A'對齊。A、B相同時通電，A、A'磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15，到達左圖所示位置。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A341237CA'BB'C'A3412

B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒與B、B′對齊,又轉(zhuǎn)過15。3412CA'BB'C'AB、C相同時通電，C'、C磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過15。CA'BB'C'A3412B相通電，轉(zhuǎn)子238三相反應式步進電動機的一個通電循環(huán)周期如下：AABBBCCCA，每個循環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15（步距角），一個通電循環(huán)周期(6拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90(齒距角)。與單三拍相比，六拍驅(qū)動方式的步進角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。三相反應式步進電動機的一個通電循環(huán)周3913.1.3三相雙三拍按ABBCCA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時通電。13.1.3三相雙三拍按ABBCCA的順40AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB'C'ACA通電CA'BB'C'A3412與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動時每個通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30(步距角)，一個通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90(齒距角)。AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB41

從以上對步進電機三種驅(qū)動方式的分析可得步距角計算公式：—步距角Zr

—轉(zhuǎn)子齒數(shù)m—每個通電循環(huán)周期的拍數(shù)實用步進電機的步距角多為3和1.5

。為了獲得小步距角，電機的定子、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，如教材圖10.4.4所示。圖中轉(zhuǎn)子表面有40個齒，從以上對步進電機三種驅(qū)動方式的分析可42齒距角是9；定子仍是6個磁極，但每個磁極表面加工有五個和轉(zhuǎn)子一樣的齒。

步進電動機的應用非常廣泛，如各種數(shù)控機床、自動繪圖儀、機器人等。應用：齒距角是9；定子仍是6個磁極，但每個磁極表面加工有五個和4313.2步進電動機的步距角由一個通電狀態(tài)改變到下一個通電狀態(tài)時，電動機轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。T11-2.SWF

＝360/ZKm

其中：Z－轉(zhuǎn)子齒數(shù)

m－定子繞組相數(shù)

K－通電系數(shù)K=1,2若二相步進電動機的Z=100，單拍運行時，其步距角若按單、雙通電方式運行時，步距角13.2步進電動機的步距角由一個通電狀態(tài)改變到下一44由此可見，步進電動機的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z和定子相數(shù)(或運行拍數(shù))愈多，則步距角愈小，控制越精確。當定子控制繞組按著一定順序不斷地輪流通電時，步進電動機就持續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。如果電脈沖的頻率為f(HZ)，步距角用弧度表示，則步進電動機的轉(zhuǎn)速為：13.2步進電動機的步距角由此可見，步進電動機的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z和定子相數(shù)(4513.3步進電動機的主要性能指標1.步距角2.最大工作頻率：在轉(zhuǎn)子不失步的情況下，電動機連續(xù)工作時，輸入脈沖信號的最大頻率。3.最大突跳頻率：在轉(zhuǎn)子不失步的情況下，電動機能增加和減小的最大頻率。4.步距差：理想的步矩角與實際的步矩角之差。5.輸出轉(zhuǎn)矩：電動機軸上的輸出轉(zhuǎn)矩的大小步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩與脈沖頻率的函數(shù)關系稱為矩頻特性。13.3步進電動機的主要性能指標1.步距角4613.4步進電動機的驅(qū)動電源

一、驅(qū)動電源的組成脈沖分配器功放電路三相步進電機負載功率電源分配器電源功放電路功放電路功率放大器步進脈沖方向信號ABC脈沖分配器+功率放大電路13.4步進電動機的驅(qū)動電源一、驅(qū)動電源的組成脈功放電471.脈沖分配器當方向電平為低時，脈沖分配器的輸出按A-B-C的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。

當方向電平為高時，脈沖分配器的輸出按A-C-B的順序循環(huán)產(chǎn)生脈沖。

2.功率放