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1、第第13 13章章 特种电机特种电机13.7 步进电动机步进电动机 步进电动机是一种把步进电动机是一种把电脉冲信号电脉冲信号转换成转换成机械角位移机械角位移的控制的控制电机，常作为数字控制系统中的执行元件。电机，常作为数字控制系统中的执行元件。以反应式为例说明步进电机的结构和工作原理以反应式为例说明步进电机的结构和工作原理通常按励磁方式分为三大类：通常按励磁方式分为三大类：1 1 1 1）反应式：）反应式：）反应式：）反应式：转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小齿、步距角小。转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小齿、步距角小。转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小齿、步距角小。转子为软磁材料，无绕
2、组，定、转子开小齿、步距角小。2 2 2 2）永磁式：）永磁式：）永磁式：）永磁式：转子为永磁材料，转子的极数转子为永磁材料，转子的极数转子为永磁材料，转子的极数转子为永磁材料，转子的极数=每相定子极数，不开小齿，每相定子极数，不开小齿，每相定子极数，不开小齿，每相定子极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大步距角较大，力矩较大步距角较大，力矩较大步距角较大，力矩较大3 3 3 3）感应子式）感应子式）感应子式）感应子式(混合式混合式混合式混合式)：转子为永磁式、两段，开小齿，转矩大、动态性能好、步距转子为永磁式、两段，开小齿，转矩大、动态性能好、步距转子为永磁式、两段，开小齿，转矩大、动态性能好
3、、步距转子为永磁式、两段，开小齿，转矩大、动态性能好、步距角小，但结构复杂，成本较高。角小，但结构复杂，成本较高。角小，但结构复杂，成本较高。角小，但结构复杂，成本较高。步进电动机的种类步进电动机的种类13.7 13.7 步进电动机步进电动机 步步进进电电机机主主要要由由两两部部分分构构成成：定定子子和和转转子子，它它们们均均由由磁磁性性材材料料构构成成。以三相为例其定子和转子上分别有六个、四个磁极以三相为例其定子和转子上分别有六个、四个磁极 。定子定子转子转子定子绕组定子绕组13.7.1 13.7.1 步进电动机结构步进电动机结构13.7 13.7 步进电动机步进电动机步进电动机结构简图步进
4、电动机结构简图步进电机内部结构步进电机内部结构13.7 13.7 步进电动机步进电动机定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。成一相。注意：注意：注意：注意：这里的相和三相交流电中的这里的相和三相交流电中的“相相”的概念不同。步进的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线路的联接和组数的区别。机通的是直流电脉冲，这主要是指线路的联接和组数的区别。ABC定子定子转子转子IAIBIC13.7 13.7 步进电动机步进电动机13.7.2 工作原理工作原理 三相步进电机的工作方式可分为：三相步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单三拍、
5、三相单双六拍、三相双三拍三相单双六拍、三相双三拍等等。一、三相单三拍一、三相单三拍（1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y 型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A 相相 B 相相 C 相相13.7 13.7 步进电动机步进电动机（3）工作过程）工作过程 A 相通电，相通电，A 方向的磁通经方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁则在磁场的作用下，转子被磁化，吸引转子，使转子的位置化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，力图使通电相磁路的磁阻最
6、小，使转、定子的齿对齐停止转动。使转、定子的齿对齐停止转动。A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA 对齐。对齐。CABBCA341213.7 13.7 步进电动机步进电动机A相通电相通电CABBCA3412B相通电相通电1C342CABBAC相通电相通电13.7 13.7 步进电动机步进电动机 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。单三拍。三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转
7、过 30。此角称为。此角称为步距角，用步距角，用 S表示。表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。改变通电顺序即可改变转向。13.7 13.7 步进电动机步进电动机 反转：反转：A 相相 C 相相 B 相相 A 相相 B 相相 C 相相正转：正转：二、三相单双六拍二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为：AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作过程：工作过程：A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿和齿和A相对齐。相对齐。CABBCA341213.7 13.7 步进电动机步进电动机所以转子转到
8、两磁拉力平衡的位置上。相对所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了通电，转子转了15。（1）BB 磁场对磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。转子顺时针方向转动。A、B相同时通电相同时通电（2）AA 磁场继续对磁场继续对1、3齿有拉力。齿有拉力。CABBCA341213.7 13.7 步进电动机步进电动机总总之之，每每个个循循环环周周期期，有有六六种种通通电电状状态态，所所以以称称为三相六拍，步距角为为三相六拍，步距角为15。CABBCA3412B相通电，相通电，转子转子2、4齿和齿和B相对齐，又转了相对齐，又转了15。13.7 13.
9、7 步进电动机步进电动机三、三相双三拍三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为：AB BC CA AB 共三拍。共三拍。AB通电通电CABBCA3412CABBCA3412BC通电通电13.7 13.7 步进电动机步进电动机以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工工作作方方式式为为三三相相双双三三拍拍时时，每每通通入入一一个个电电脉脉冲冲，转转子子也也是是转转30，即，即 S=30。CA通电通电CABBCA341213.7 13.7 步进电动机步进电动机小步距角的步进电
10、动机小步距角的步进电动机 实际采用的步进电机的步距角多为实际采用的步进电机的步距角多为3度和度和1.5 度，步距角越小，机加工的精度越高。度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子图中转子40个齿，定子仍是个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极个磁极，但每个磁极上也有五个齿。上也有五个齿。13.7 13.7 步进电动机步进电动机转子的齿距转子的齿距等于等于360/40=9 ，齿宽、齿槽各，齿宽、齿槽各4.5 。为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。齿宽和齿槽
11、和转子相同。13.7 13.7 步进电动机步进电动机工作原理：工作原理：假设是单三拍通电工作方式。假设是单三拍通电工作方式。（1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 120120/9/9 =齿齿13.7 13.7 步进电动机步进电动机 A 相和 C 相差240，含240/9=个齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定子相差2/3个齿（6）。若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转转子只转 1.5 。步进电机的
12、转动方向仍由相序决定。步进电机的转动方向仍由相序决定。同理，同理，C 相通电再转相通电再转3 （2）A 相相断断电电、B 相相通通电电后后，转转子子只只需需转转过过1/3个个 齿齿（3），使），使 B 相转子、定子对齐。相转子、定子对齐。13.7 13.7 步进电动机步进电动机步进电机的特点步进电机的特点1 1）步进电机工作时，每相绕组由步进电机工作时，每相绕组由专门的驱动电源专门的驱动电源通通过过“环形分配器环形分配器”按一定规律按一定规律轮流通电。轮流通电。步进电机轮流通电方式步进电机轮流通电方式分配方式分配方式每一次循环所包含的通电状态数每一次循环所包含的通电状态数拍数拍数状态数状态数=
13、相数相数单拍制分配方式单拍制分配方式 (如：三相单三拍、四相双四拍如：三相单三拍、四相双四拍)状态数状态数=相数的两倍相数的两倍双拍制分配方式双拍制分配方式 (如：三相六拍、四相八拍如：三相六拍、四相八拍)通电脉冲频率通电脉冲频率拍数拍数13.7 13.7 步进电动机步进电动机步进机通过一个电脉冲转子转过的角度步进机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为称为步距角步距角步距角步距角。N:一个周期的运行拍数一个周期的运行拍数Zr：转子齿数转子齿数如：如：Zr=40,N=3 时时2)步距角步距角拍数：拍数：N=kmk=1 1 单拍制单拍制2 2 双拍制双拍制m:m:相数相数13.7 13.7 步进电动
14、机步进电动机 3)转速转速每输入一个脉冲，电机转过每输入一个脉冲，电机转过即转过整个圆周的即转过整个圆周的1/(Z1/(Zr rN N）,也就是也就是1/(Z1/(Zr rN N）转转因此每分钟转过的圆周数，即转速为因此每分钟转过的圆周数，即转速为4)4)步进电机具有自锁能力步进电机具有自锁能力当控制脉冲停止输入、而使最后一个脉冲控制的绕当控制脉冲停止输入、而使最后一个脉冲控制的绕组继续通电时，电机可以保持在固定位置。组继续通电时，电机可以保持在固定位置。13.7 13.7 步进电动机步进电动机步进电动机驱动控制器的构成步进电动机驱动控制器的构成1 1、对驱动电源的基本要求、对驱动电源的基本要
15、求1）驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都）驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都 满足步进电动机的需要；满足步进电动机的需要；2）要满足步进电动机的起动频率和运行频率的）要满足步进电动机的起动频率和运行频率的要求；要求；3）能最大限度地抑制步进电动机的振荡；）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；）工作可靠，抗干扰能力强；5）成本低、效率高、安装和维护方便。）成本低、效率高、安装和维护方便。13.7 13.7 步进电动机步进电动机2 2、驱动控制器的组成、驱动控制器的组成步进电动机的驱动电源主要由脉冲发生器、脉冲步进电动机的驱动电源主要由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲
16、放大器（也称功率放大器）三部分分配器和脉冲放大器（也称功率放大器）三部分组成。组成。13.7 13.7 步进电动机步进电动机脉冲分配器脉冲分配器脉冲分配器脉冲分配器脉冲分配器根据指令把脉冲按一定的逻辑关系加到各脉冲分配器根据指令把脉冲按一定的逻辑关系加到各相绕组的功率放大器上，使电机按一定方式运行，实相绕组的功率放大器上，使电机按一定方式运行，实现正、反转和定位。现正、反转和定位。传统电路：门电路传统电路：门电路+触发器组成触发器组成集成电路：如集成电路：如CH205(CMOS)CH205(CMOS)三相六拍脉冲分配器三相六拍脉冲分配器脉冲发生器脉冲发生器脉冲发生器脉冲发生器脉冲发生器是一个脉冲频率在几赫到几十千赫内可连脉冲发生器是一个脉冲频率在几赫到几十千赫内可连续变化的脉冲信号发生器。最常见的有多谐振荡器和续变化的脉冲信号发生器。最常见的有多谐振荡器和单结晶体管构成的张弛振荡器两种。单结晶体管构成的张弛振荡器两种。趋势：单片机控制步进电机趋势：单片机控制步进电机趋势：单片机控制步进电机趋势：单片机控制步进电机由单片机实现脉冲发生器由单片机实现脉冲发生器由单片机实现脉冲发生器由单片机实现脉冲发生器+脉冲分配器的功能脉冲分配器的功能脉冲分配器的功能脉冲分配器的功能13.7 13.7 步进电动机步进电动机