控制电机第八章.ppt

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1、 步进电动机又称脉冲电动机，它是由脉冲信号控制的一种特种电动机。步进电动机又称脉冲电动机，它是由脉冲信号控制的一种特种电动机。对应于每一个电脉冲，电机将产生一个恒定量的步进运动对应于每一个电脉冲，电机将产生一个恒定量的步进运动 (角位移或直线位角位移或直线位移移)。电动机运动的步数由脉冲数决定，运动方向由脉冲相序控制。在一定。电动机运动的步数由脉冲数决定，运动方向由脉冲相序控制。在一定时间内转过的角度时间内转过的角度q q或移动的距离或移动的距离s s由脉冲频率决定，如图由脉冲频率决定，如图8.0.18.0.1所示。在负所示。在负载能力范围内，这些关系不会因电源电压、负载大小、环境条件的波动而

2、变载能力范围内，这些关系不会因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。步进电动机能够快速启动，正、反转和制动，并且可通过改变脉冲频率化。步进电动机能够快速启动，正、反转和制动，并且可通过改变脉冲频率在很宽的范围内调速。由于步进电动机可以实现数字信号转换，因此，目前在很宽的范围内调速。由于步进电动机可以实现数字信号转换，因此，目前它是自动控制系统以及数字控制系统中广泛采用的执行元件，如在数控机床、它是自动控制系统以及数字控制系统中广泛采用的执行元件，如在数控机床、打印机、绘图仪、机器人控制、石英钟等场合都有应用。打印机、绘图仪、机器人控制、石英钟等场合都有应用。步进电动机的定子绕组可以是任意相

3、数的，最常用的有三相、四相和五步进电动机的定子绕组可以是任意相数的，最常用的有三相、四相和五相。根据转子结构不同，步进电动机可分为反应式、永磁式和永磁感应子式相。根据转子结构不同，步进电动机可分为反应式、永磁式和永磁感应子式步进电动机三类。其中以反应式步进电动机结构员简单，应用最广泛。步进电动机三类。其中以反应式步进电动机结构员简单，应用最广泛。步进电动机在应用时往往构成一个系统来进行工作。这个系统包括：脉步进电动机在应用时往往构成一个系统来进行工作。这个系统包括：脉冲信号发生器、脉冲信号分配器、放大器及步进电动机本体和负载。由步进冲信号发生器、脉冲信号分配器、放大器及步进电动机本体和负载。由

4、步进电动机构成的控制系统可以是开环的控制系统，如图电动机构成的控制系统可以是开环的控制系统，如图8.0.28.0.2所示。为了提高所示。为了提高其控制精度，还可以构成闭环的控制系统，如图其控制精度，还可以构成闭环的控制系统，如图8.0.38.0.3为采用光电编码器作为采用光电编码器作为速度反馈的步进电动机典型的转速闭环控制系统原理方框图。为速度反馈的步进电动机典型的转速闭环控制系统原理方框图。其中程序逻辑单元的作用是接受输入脉冲和方向指令，然后按逻辑程序，其中程序逻辑单元的作用是接受输入脉冲和方向指令，然后按逻辑程序，对脉冲信号进行分配，以驱动功率放大器，控制步进电动机的工作。对脉冲信号进行分

5、配，以驱动功率放大器，控制步进电动机的工作。第八章 步进电动机步进电动机 图图8.0.1 步进电动机的控制特性步进电动机的控制特性 步进电动机的角位移量步进电动机的角位移量或线位移量或线位移量S S与脉冲的个数与脉冲的个数k k成正比，其转速成正比，其转速n n或线速度或线速度v v与脉冲的频率成正比如图所示。与脉冲的频率成正比如图所示。与交直流电动机不同，步进电动机需要专门的电源和驱动器与交直流电动机不同，步进电动机需要专门的电源和驱动器(包括包括环形分配器环形分配器)，使定子磁极上的控制绕组按顺序依次通电，在定子和转，使定子磁极上的控制绕组按顺序依次通电，在定子和转子的气隙空间里形成步进式

6、磁极轴旋转，转子则在电磁转矩作用下实现子的气隙空间里形成步进式磁极轴旋转，转子则在电磁转矩作用下实现步进式旋转。目前，环形分配器和输入控制回路的职能都由微处理机来步进式旋转。目前，环形分配器和输入控制回路的职能都由微处理机来完成，而且分配方式更加灵活，控制功能可以更加复杂，还可以具有各完成，而且分配方式更加灵活，控制功能可以更加复杂，还可以具有各种判断功能。可以说，正是由于微型汁算机的应用与普及，才使得步进种判断功能。可以说，正是由于微型汁算机的应用与普及，才使得步进电动机在现代各种控制电机中应用最为广泛。电动机在现代各种控制电机中应用最为广泛。步步 进进 电电 动动 机机控制系统对步进电动机

7、的基本要求：控制系统对步进电动机的基本要求：步进电动机在电脉冲的控制下能迅速起动、正反转、停转及在很步进电动机在电脉冲的控制下能迅速起动、正反转、停转及在很宽的范围内进行转速调节。宽的范围内进行转速调节。加工精度高，即要求一个脉冲对应的位移量小，并要准确、均匀。加工精度高，即要求一个脉冲对应的位移量小，并要准确、均匀。这就要求步进电动机步距小，步距精度高，不得丢步或越步。这就要求步进电动机步距小，步距精度高，不得丢步或越步。动作快速。即不仅起动、停步、反转快，并能连续高速运转以提动作快速。即不仅起动、停步、反转快，并能连续高速运转以提高劳动生产率。高劳动生产率。输出转矩大，可直接带动负载。输出

8、转矩大，可直接带动负载。(1)反应式反应式步进电动机步进电动机 又称又称磁磁阻式阻式步进电动机，这是步进电步进电动机，这是步进电动机中结构最为简单、应用最动机中结构最为简单、应用最为广泛的一种，其结构特点是为广泛的一种，其结构特点是定子有若干对定子有若干对(至少三对至少三对)磁极，磁极，其上装有控制绕组，极靴处带其上装有控制绕组，极靴处带有均匀分布的小齿转子则是有均匀分布的小齿转子则是圆周向上有均布小齿而无任何圆周向上有均布小齿而无任何绕组，图示出了典型的四相反绕组，图示出了典型的四相反应式步进电动机的结构。无论应式步进电动机的结构。无论是定子磁极，还是转子铁心，是定子磁极，还是转子铁心，均由

9、软磁材料的冲片叠制而成。均由软磁材料的冲片叠制而成。典型结构和工作原理典型结构和工作原理8.18.1步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理(2)永磁式永磁式步进电动机步进电动机 永永磁式步进电动机的特点是磁式步进电动机的特点是转子由一对或多对极的星转子由一对或多对极的星形永久磁铁组成，定子上形永久磁铁组成，定子上相应有二相或多相控制绕相应有二相或多相控制绕组。转子永久磁铁磁极数组。转子永久磁铁磁极数与定子每相控制绕组的极与定子每相控制绕组的极数对应相等，且通常两者数对应相等，且通常两者的极宽也相同，典型的结的极宽也相同，典型的结构如图所示。构如图所示。8.18.1步进电动机的工作原理步进电动

10、机的工作原理典型结构和工作原理典型结构和工作原理(3)永磁感应式永磁感应式步进电动机步进电动机 这种步进电动机无论是从结构，还是从运行原这种步进电动机无论是从结构，还是从运行原理来看，都具有反应式和理来看，都具有反应式和永永磁式的综合特点。它的结构形式是定子具有与磁式的综合特点。它的结构形式是定子具有与反应式步进电动机类似的结构，即带小齿的磁极上装有集中的控制绕组；反应式步进电动机类似的结构，即带小齿的磁极上装有集中的控制绕组；转子则是由环形永久磁铁且两端罩上二段帽式铁心构成。这两段铁心象反转子则是由环形永久磁铁且两端罩上二段帽式铁心构成。这两段铁心象反应式步进电动机那样，也带有均布小齿，但两

11、者装配位置的特点是从轴向应式步进电动机那样，也带有均布小齿，但两者装配位置的特点是从轴向看去彼此相互错开半个齿距。定子常制成四相八极，典型结构如图所示。看去彼此相互错开半个齿距。定子常制成四相八极，典型结构如图所示。典型结构和工作原理典型结构和工作原理 按结构分，步进电动机有上述反应式、永磁式、永按结构分，步进电动机有上述反应式、永磁式、永磁感应式三种，其中反应式步进电动机应用最广，结构磁感应式三种，其中反应式步进电动机应用最广，结构也简单，因此下面仅介绍其工作原理和基本特性。也简单，因此下面仅介绍其工作原理和基本特性。8.1 8.1 反应式步进电动机的工作原理反应式步进电动机的工作原理 如假

12、定电动机理想空载，则当如假定电动机理想空载，则当A相绕组通电，相绕组通电，B和和C相不通电时，由相不通电时，由于磁力线具有力图沿磁阻最小路径闭合的特点，将使转子齿于磁力线具有力图沿磁阻最小路径闭合的特点，将使转子齿1、3的轴线的轴线与定子与定子A相齿相齿(极极)的轴线对齐，如图的轴线对齐，如图8.1.2(a)所示。磁通路径在图中以虚所示。磁通路径在图中以虚线表示。之后，切断线表示。之后，切断A相电源，仅由相电源，仅由B相通电时，同样原因，此时转子相通电时，同样原因，此时转子在电磁力矩的作用下，逆时针转过一个角度在电磁力矩的作用下，逆时针转过一个角度qb使转子齿使转子齿2、4的轴线与定的轴线与定

13、子子B相的齿轴线对齐，如图相的齿轴线对齐，如图8.1.2(b)所示。再换接成仅有所示。再换接成仅有C相通电时，转相通电时，转子又转过子又转过qb角，使转子齿角，使转子齿1、3的轴线和定子的轴线和定子C相齿的轴线对齐，如图相齿的轴线对齐，如图8.1.2(c)所示。如此往复循环，始终按所示。如此往复循环，始终按ABCA顺序轮流通电，步顺序轮流通电，步进电动机转子就会一步一步地按逆时针方向连续转动，每步转角均为进电动机转子就会一步一步地按逆时针方向连续转动，每步转角均为qb。qb是转子每步转过的空间机械角，称为步距角是转子每步转过的空间机械角，称为步距角。定义相邻两个转于齿之定义相邻两个转于齿之间的

14、夹角为齿距角，记作间的夹角为齿距角，记作qt。一般情况下，定子有一般情况下，定子有m相绕组，如每次仅相绕组，如每次仅一相通电那么一相通电那么通电一个循环通电一个循环，由图，由图8.1.2可见，可见，转子正好转过一个齿距转子正好转过一个齿距角角qt。因此，在此情况下，步距角因此，在此情况下，步距角qb为为8.1.1三相单三拍制通电方式三相单三拍制通电方式 图图8.1.2 三三相相单单三三拍拍运运行行典型结构和工作原理典型结构和工作原理 反应式反应式(磁阻式磁阻式)步进电动机的工作原理是利用凸极转子横轴磁阻与步进电动机的工作原理是利用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的磁阻转矩（又称反应转矩）而

15、转动的。直轴磁阻之差所引起的磁阻转矩（又称反应转矩）而转动的。当改变三相单三拍通电的次序为当改变三相单三拍通电的次序为ACBA时，从工作原理分析时，从工作原理分析可知此时步进电动机转子的转向将变为相反，即顺时针方向可知此时步进电动机转子的转向将变为相反，即顺时针方向。若若用用Np表示每转转子步数，则表示每转转子步数，则在图在图 中，定子齿和槽沿定子圆周等距离均匀分布中，定子齿和槽沿定子圆周等距离均匀分布，Zr4，m3，则有则有 上述按上述按ABCA顺序的通电方式，称为三相单三拍运行，三相顺序的通电方式，称为三相单三拍运行，三相指定子三相绕组；指定子三相绕组；“单单”是指每次只有一相绕组通电；是

16、指每次只有一相绕组通电；“拍拍”是指通电是指通电一个循环，定子绕组改变通电方式的次数一个循环，定子绕组改变通电方式的次数(通电状态数通电状态数)。如通电顺序为如通电顺序为AABBBCCCAA，即一个通电循即一个通电循环中定子绕组环中定子绕组6次改变通电方式，称为三相六拍制，对次改变通电方式，称为三相六拍制，对m相绕组称相绕组称为为2m拍制。分析此时步进电动机的工作可见，当拍制。分析此时步进电动机的工作可见，当A相单独通电时，相单独通电时，转于齿转于齿1、3的轴线与定子的轴线与定子A相齿轴线对齐，如图相齿轴线对齐，如图8.1.3(a)所示。当所示。当A、B相同时通电时，转子的位置应使定子相同时通

17、电时，转子的位置应使定子A、B两磁极所形成的两路两磁极所形成的两路磁通，在气隙所遇到的磁阻达到同程度的最小。这样定子相邻两磁通，在气隙所遇到的磁阻达到同程度的最小。这样定子相邻两极极A、B与转子齿相互作用的电磁力大小相等，方向相反，使转子与转子齿相互作用的电磁力大小相等，方向相反，使转子处于平衡状态，如图处于平衡状态，如图8.1.3(b)所示。此时转子在空间逆时针转过一所示。此时转子在空间逆时针转过一个步距角个步距角qb(15o)。当再换接成当再换接成B相单独通电时，在电磁力的作用相单独通电时，在电磁力的作用下，转子逆时针方向又转过一个步距角下，转子逆时针方向又转过一个步距角qb(15o)，使

18、转子齿使转子齿2、4的轴线与定子的轴线与定子B齿轴线对齐，如图齿轴线对齐，如图8.1.3(c)所示。若按所示。若按BCCCA顺序继续通电，则步进电动机也将按逆时针方向继续转动。如改顺序继续通电，则步进电动机也将按逆时针方向继续转动。如改变通电程序为变通电程序为AACCCBBBAA，则步进电动机的转则步进电动机的转向将变为顺时针方向。向将变为顺时针方向。8.1.2 三相六拍制通电方式三相六拍制通电方式典型结构和工作原理典型结构和工作原理图图8.1.3三相六拍运行三相六拍运行a）A相通电相通电 b）A、B通电通电 c）B相通电相通电 d）B、C通电通电对图示的三相四极步进电动机，当对图示的三相四极

19、步进电动机，当2m拍制运行时，拍制运行时，从图中可看出，与前述的单从图中可看出，与前述的单m拍制运行相比，拍制运行相比，2m拍制运行时，转子拍制运行时，转子每步转过的步距角仅为前者的一半，即步距角即为每步转过的步距角仅为前者的一半，即步距角即为每转步数为每转步数为(不是运行拍数不是运行拍数N，运行拍数运行拍数N=m或或2m)三相双三柏制运行时，通电方式为三相双三柏制运行时，通电方式为ABBCCAABABBCCAAB，或或ACCBBAACACCBBAAC。此时，任何时刻都有两相定子绕组同时通电，此时，任何时刻都有两相定子绕组同时通电，通电一个循环为三拍通电一个循环为三拍(m m相为相为m m拍拍

20、)。从上面分析可知，此时每改变。从上面分析可知，此时每改变一次通电顺序，转子转过的步距角一次通电顺序，转子转过的步距角qb和每转步数与单和每转步数与单m m拍制完全拍制完全相同。相同。8.1.38.1.3三相双三拍制通电方式三相双三拍制通电方式 三相六拍运行时转子每步转过的角度比三相三拍运行时要小三相六拍运行时转子每步转过的角度比三相三拍运行时要小一半，因此一台步进电动机采用不同的供电方式，步距角可有二一半，因此一台步进电动机采用不同的供电方式，步距角可有二种不同的数值，如上面这台三相步进电动机三拍时步距角为种不同的数值，如上面这台三相步进电动机三拍时步距角为300，六拍时为六拍时为150。图

21、图8-88-88.1.4 基基 本本 特特 点点 1步步进进电电动动机机工工作作时时每每相相绕绕组组不不是是恒恒定定地地通通电电，而而是是通通过过“环环形形分分配配器器”按按一一定定的的规规律律轮轮流流通通电电。环环形形分分配配器器输输出出的的各各路路脉脉冲冲电电压压信信号号，经经过过各各自自的的放放大大器器放放大大后后送送到到步步进进电电动动机机的的各各相相绕绕组组，使使步步进进电电动动机机一步一步转动。一步一步转动。根据上述的工作原理可以归纳步进电动机的基本特点如下：根据上述的工作原理可以归纳步进电动机的基本特点如下：2.步进电动机这种轮流通电的方式称为步进电动机这种轮流通电的方式称为“分

22、配方式分配方式”。每每循环一次所包含的通电状态数循环一次所包含的通电状态数N称为称为“状态数状态数”或或“拍数拍数”。状态数等于相数的称为状态数等于相数的称为单拍制单拍制分配方式。状态数等于相分配方式。状态数等于相数的两倍的称为数的两倍的称为双拍制双拍制分配方式。分配方式。8.1.4 基基 本本 特特 点点 不管分配方式如何，每循环一次，控制脉冲不管分配方式如何，每循环一次，控制脉冲Uk的个数总的个数总等于拍数等于拍数N，而加在每相绕组上的脉冲电压（或电流）的个而加在每相绕组上的脉冲电压（或电流）的个数却等于一，因而控制脉冲频率数却等于一，因而控制脉冲频率f 是每相脉冲电压（或电流）是每相脉冲

23、电压（或电流）频率频率f 相的相的N倍，即倍，即 f相相=f/N3.转子相邻两个齿间的夹角为转子相邻两个齿间的夹角为：t t=360o/Z/Zr r 每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角 b=t t/N=360o/ZrN（机械角度）机械角度）对同一相数的步进电动机既可采用单拍制（对同一相数的步进电动机既可采用单拍制（N=m），），也可也可采用双拍制（采用双拍制（N=2m）。）。采用双拍制时，步距角减小一半，所以采用双拍制时，步距角减小一半，所以一台步进电动机可有两个步距角如一台步进电动机可有两个步距角如1.5o/0.75o、1.2o/0.6o

24、、3o/1.5o等。等。8.1.4 基基 本本 特特 点点2.反应式步进电动机可以按特定指令进行反应式步进电动机可以按特定指令进行角度控制角度控制，也可以也可以进行进行速度控制速度控制。如图。如图8.0.1 角度控制时，每输入一个脉冲，输出轴就转过一个角度，角度控制时，每输入一个脉冲，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。成正比。速度控制时，步进电动机绕组中送入连续脉冲，各相绕速度控制时，步进电动机绕组中送入连续脉冲，各相绕组不断地轮流通电，步进电动机连续运转，它的转速与脉冲组不断地轮流通电，步进电

25、动机连续运转，它的转速与脉冲频率成正比。每分钟转子转过的圆周数，即转速为频率成正比。每分钟转子转过的圆周数，即转速为8.1.4 基基 本本 特特 点点 反应式步进电动机转速取决于反应式步进电动机转速取决于脉冲频率脉冲频率、转子齿数转子齿数和和拍拍数数，而与电压、负载、温度等因素无关。当转子齿数一定时，而与电压、负载、温度等因素无关。当转子齿数一定时，转子旋转速度与输入脉冲频率成正比，或者说其转速和脉冲转子旋转速度与输入脉冲频率成正比，或者说其转速和脉冲频率同步，改变脉冲频率可以改变转速，故可以进行频率同步，改变脉冲频率可以改变转速，故可以进行无级调无级调速速，调速范围很宽调速范围很宽。若改变通

26、电顺序，即改变定子磁场旋转的方向，就可以若改变通电顺序，即改变定子磁场旋转的方向，就可以控制电机正转或反转。控制电机正转或反转。所以所以步进电动机是用电脉冲进行控制的电机，改变电脉步进电动机是用电脉冲进行控制的电机，改变电脉冲输入的情况，就可方便地控制它，使它快速冲输入的情况，就可方便地控制它，使它快速、启动启动、反转反转、制动或改变转速。制动或改变转速。8.1.4 基基 本本 特特 点点 4.步进电动机具有步进电动机具有自锁能力自锁能力，当控制电脉冲停止输入，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，则电机可以而让最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时，则电机可以保持在固

27、定的位置上，即停在最后一个脉冲控制的角位移的保持在固定的位置上，即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上，这样，步进电动机可以实现停车时转子定位。终点位置上，这样，步进电动机可以实现停车时转子定位。由于步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和由于步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响（在允许负载范围内），也不受环境条件负载变化的影响（在允许负载范围内），也不受环境条件（温度、压力、冲击和振动等）变化的影响，只与控制脉冲（温度、压力、冲击和振动等）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，进行起动、停止、反转同步，同时它又能按照控制的要求，进行起动、停止、

28、反转或改变转速。因此步进电动机被广泛地应用与各种数字控制或改变转速。因此步进电动机被广泛地应用与各种数字控制系统中。系统中。8.1.4 基基 本本 特特 点点 当控制电脉冲不断送入步进电动机，各相绕组又按照当控制电脉冲不断送入步进电动机，各相绕组又按照一定顺序轮流通电时，步进电动机转子就一步步地转动。一定顺序轮流通电时，步进电动机转子就一步步地转动。当控制脉冲停止，而仅给某相绕组通以恒定电流，这时转当控制脉冲停止，而仅给某相绕组通以恒定电流，这时转子将固定在某一位置上保持不动，此时称为静止状态。当子将固定在某一位置上保持不动，此时称为静止状态。当转子处于静止状态时，即使有一个小的扰动，使转子偏

29、离转子处于静止状态时，即使有一个小的扰动，使转子偏离此稳定位置，磁场力也能把转子拉回来。步进电动机能可此稳定位置，磁场力也能把转子拉回来。步进电动机能可靠地锁定在静止位置的功能，称为靠地锁定在静止位置的功能，称为“自锁自锁”。所以步进电。所以步进电机可以通过绕组通直流电，实现停车时转子定位。转子在机可以通过绕组通直流电，实现停车时转子定位。转子在静止状态时所受的电磁力矩称为静态转矩，静态转矩与转静止状态时所受的电磁力矩称为静态转矩，静态转矩与转子转角子转角 的关系称为静态矩角特性。对于多相步进电动机可的关系称为静态矩角特性。对于多相步进电动机可以一相单独通电，也可以多相同时通电，不同通电方式下

30、以一相单独通电，也可以多相同时通电，不同通电方式下步进电动机静态矩角特性也不同，下面分别进行讨论。步进电动机静态矩角特性也不同，下面分别进行讨论。8.2 反应式步进电动机的特性反应式步进电动机的特性8.2.1 静态运行特性静态运行特性8.2反应式步进电动机的特性反应式步进电动机的特性8.2.1 矩角特性和静态转矩矩角特性和静态转矩ete图图8.2.0 定、转子齿的相对位置定、转子齿的相对位置定义定子小齿与转子小齿轴线定义定子小齿与转子小齿轴线之间夹角为之间夹角为失调角失调角 e，失调角失调角 e为通常用电角度表示。为通常用电角度表示。t为一个齿距对应的角度，为一个齿距对应的角度，称为齿距角。若

31、用电弧度表示，称为齿距角。若用电弧度表示，则齿距角则齿距角 te=2 电弧度。电弧度。一一.单相通电单相通电矩角特性矩角特性:步进电动机的静态运行性能可以由矩角特性来描述，步进电动机的静态运行性能可以由矩角特性来描述，矩角特性是不改变控制绕组通电状态，也就是保持一相或几矩角特性是不改变控制绕组通电状态，也就是保持一相或几相控制绕组通直流电流时，电磁转矩与偏转角的关系，即相控制绕组通直流电流时，电磁转矩与偏转角的关系，即Temf(e)。下面分别讨论单相和多相控制的矩角特性。下面分别讨论单相和多相控制的矩角特性。一一.单相通电时的矩角特性单相通电时的矩角特性 单相通电时，只有通电相极下的定子、转子

32、齿产生转矩。由于定、转子单相通电时，只有通电相极下的定子、转子齿产生转矩。由于定、转子结构的对称性，每对定子极下定子、转子小齿的相对位置和所产生的转矩都结构的对称性，每对定子极下定子、转子小齿的相对位置和所产生的转矩都是相同的，故可用一对定子、转子小齿相对位置的变化引起的转矩变化来进是相同的，故可用一对定子、转子小齿相对位置的变化引起的转矩变化来进行讨论。电动机总的电磁转矩等于通电极下所有的定子、转子小齿产生的转行讨论。电动机总的电磁转矩等于通电极下所有的定子、转子小齿产生的转矩之总和。图矩之总和。图8.2.1表示定子小齿与转子一个齿的相对位置。当某相通电时，表示定子小齿与转子一个齿的相对位置

33、。当某相通电时，苦定子、转子小齿轴线对齐，即苦定子、转子小齿轴线对齐，即qe0，则此时定子、转子小齿之间的磁阻则此时定子、转子小齿之间的磁阻最小，吸力最大，但此吸力是沿齿的轴线方向的，而沿圆周方向的切向电磁最小，吸力最大，但此吸力是沿齿的轴线方向的，而沿圆周方向的切向电磁力为零，对转轴不构成力矩，所以步进电动机转子所受电磁力矩为零，如图力为零，对转轴不构成力矩，所以步进电动机转子所受电磁力矩为零，如图8.2.1(a)所示。若外加一个力矩所示。若外加一个力矩TL，使转子沿顺时针方向使转子沿顺时针方向(图中为向右图中为向右)转动转动qe角，则磁力线被扭曲，产生逆时针角，则磁力线被扭曲，产生逆时针(

34、向左向左)的电磁转矩的电磁转矩Tem；它力图使定子、它力图使定子、转子齿恢复对齐状态，当转子齿恢复对齐状态，当TeTL时，转子处于平衡状态。转子转过的角度保时，转子处于平衡状态。转子转过的角度保持为持为q e某个值。当外加力矩增大，某个值。当外加力矩增大，使使qe 增大时，增大时，Tem也增大。当也增大。当qeqt/4时，时，Tem达到逆时针方向最大值，如图达到逆时针方向最大值，如图8.2.1(b)所示。当所示。当qe继续增大，继续增大，qeqt/4时，时，Tem 方向不变，但方向不变，但Tem值却减小。当值却减小。当qeqt/2时，时，Tem0，如图如图8.2.1(c)所示。所示。这时相邻的

35、两个定子齿对转子齿的电磁力大小相等，方向相反，合力为零，这时相邻的两个定子齿对转子齿的电磁力大小相等，方向相反，合力为零，转矩为零。反之，外加力矩使转子逆时针方向转矩为零。反之，外加力矩使转子逆时针方向(图中为向左图中为向左)转动转动q e角，则产角，则产生顺时针生顺时针(向右向右)的电磁力矩。当向左移动到的电磁力矩。当向左移动到qe=-qt/4时，时，Tem同样达最大，如同样达最大，如图图8.2.1(d)所示。而当所示。而当qe-qt/2，Tem0。8.2.1 矩角特性和静态转矩矩角特性和静态转矩图8.2.1一通电时，定、转子不同位置时的静态作用力矩一通电时，定、转子不同位置时的静态作用力矩

36、 设顺时针方向转动时设顺时针方向转动时q qe e和和 Tem为正，逆时针方向为负。则为正，逆时针方向为负。则q qe e当在当在q qt t/2 2范范围内变化时，对应的电磁转矩基波围内变化时，对应的电磁转矩基波Tem按正弦规律变化，如图按正弦规律变化，如图8.2.2所示。所示。该曲线称为步进电动机静态矩角特性，表达式为该曲线称为步进电动机静态矩角特性，表达式为 式中式中Temax为步进电动机的最大静态电磁转矩，它表征了步进电动机的为步进电动机的最大静态电磁转矩，它表征了步进电动机的承载能力。式中的负号表明上述假定条件下，步进电动机的电磁转矩总是与承载能力。式中的负号表明上述假定条件下，步进

37、电动机的电磁转矩总是与转子移动方向相反，即电磁转矩总是力图使转子失调角为零，因此电磁转矩转子移动方向相反，即电磁转矩总是力图使转子失调角为零，因此电磁转矩也称为整步转矩。也称为整步转矩。q qe e0，Tem0为稳定平衡点，为稳定平衡点，-p/2q qe ep/2为稳定工作区。在此区域为稳定工作区。在此区域内，当外负载转矩增大时，内，当外负载转矩增大时，q qe e增大，电磁转矩也增加，达到新的平衡点而增大，电磁转矩也增加，达到新的平衡点而稳定工作。而稳定工作。而q qe e p/2为为不稳定工作点。此时当外负载转矩使不稳定工作点。此时当外负载转矩使 q qe e增大，增大，且大于且大于p/2

38、时，电磁转矩反而减小，转子将沿时，电磁转矩反而减小，转子将沿q qe e 增加方向继续运动，直到新增加方向继续运动，直到新的平衡点为止，这就会造成转子失步。的平衡点为止，这就会造成转子失步。图8.2.2 步进电动机的矩角特性步进电动机的矩角特性步进电动机产生的静态转矩步进电动机产生的静态转矩T 随失调角随失调角 e的变化规律。这个规律的变化规律。这个规律即即T=f(e)曲线称为步进电动机的矩角特性，其形态近似正弦曲曲线称为步进电动机的矩角特性，其形态近似正弦曲线线8.2.1 矩角特性和静态转矩矩角特性和静态转矩 步进电动机矩角特性上的静态转矩最大值步进电动机矩角特性上的静态转矩最大值Tjmax

39、表示了步进表示了步进电动机承受负载的能力。电动机承受负载的能力。采用磁场能量法可推导出单相通电时静态转矩采用磁场能量法可推导出单相通电时静态转矩T与转子失调与转子失调角角 e的关系式的关系式:式中式中 Zs 为每极下的小齿数；为每极下的小齿数；Zr 为转子齿数；为转子齿数；G 为气隙比磁导；为气隙比磁导；l 为定、转子轴向长度；为定、转子轴向长度；IW 为每极控制绕组安匝数，为每极控制绕组安匝数，I 为控制绕组电流，为控制绕组电流，W 为每极控制绕组有效匝数。为每极控制绕组有效匝数。8.2.1 矩角特性和静态转矩矩角特性和静态转矩当失调角当失调角 e=/2时，静态转矩最大，即：时，静态转矩最大

40、，即：当不计铁心饱和时，静态转矩最大值与绕组电流的平方成正比。当不计铁心饱和时，静态转矩最大值与绕组电流的平方成正比。8.2.1 矩角特性和静态转矩矩角特性和静态转矩二二.多相通电多相通电多相通电时的矩角特性和最大静态转矩多相通电时的矩角特性和最大静态转矩Tjmax与单相通电时不同。与单相通电时不同。m相电机相电机n相同时通电时转矩最大值相同时通电时转矩最大值与单相通电时转矩最大值之比：与单相通电时转矩最大值之比：三相电动机两相通电时转矩最大值为三相电动机两相通电时转矩最大值为五相电动机两相通电时转矩最大值为五相电动机两相通电时转矩最大值为五相电动机三相通电时转矩最大值为五相电动机三相通电时转

41、矩最大值为8.2.1 矩角特性和静态转矩矩角特性和静态转矩四相电动机两相通电时转矩最大值为四相电动机两相通电时转矩最大值为三相步进电动机单相、两相通电时的矩角特性三相步进电动机单相、两相通电时的矩角特性五相步进电动机单相、两相、三相通电时的矩角特性五相步进电动机单相、两相、三相通电时的矩角特性 一般而言，除了三相外，多相电机通电都能一般而言，除了三相外，多相电机通电都能 提高输出转矩，故一般提高输出转矩，故一般功率较大的步进电动机（称功率步进电动机）都采用大于三相的电机，而功率较大的步进电动机（称功率步进电动机）都采用大于三相的电机，而且是多相通电的分配方式。且是多相通电的分配方式。图图8-2

42、.4 8-2.4 空载时步进电动机的单步运行空载时步进电动机的单步运行8.2.2 单步运行状态单步运行状态一一.步进电动机的单步运行状态步进电动机的单步运行状态 假设矩角特性为正弦形，失调角假设矩角特性为正弦形，失调角 e是是A相定子齿轴线与转子齿相定子齿轴线与转子齿轴线之间夹角，那么轴线之间夹角，那么A相通电时的矩角特性如图相通电时的矩角特性如图8-14曲线曲线A所示。所示。8.2.2 单步运行状态单步运行状态图图8.2.5 8.2.5 加载时步进电动机的单步运行加载时步进电动机的单步运行 仍以三相步进电动机为例，假设电动机轴上负载转矩为仍以三相步进电动机为例，假设电动机轴上负载转矩为TL。

43、当当A相通电时，静态工作点处于如图相通电时，静态工作点处于如图8.2.5所示的所示的A相矩角特性上的相矩角特性上的a点，对应转于位置点，对应转于位置qea，此时电磁转矩与负载转矩相平衡。如果此时电磁转矩与负载转矩相平衡。如果送入控制脉冲，使由原来的送入控制脉冲，使由原来的A相单独通电切换到相单独通电切换到B相单独通电，则相单独通电，则在在qea位置时，转子此时所受的电磁转矩位置时，转子此时所受的电磁转矩TB，即对应即对应qea位置时位置时B相相矩角特性的电磁转矩，矩角特性的电磁转矩，TB大于负载转矩大于负载转矩TL，转子将在此转矩作用转子将在此转矩作用下做步进运动，直到下做步进运动，直到b点，

44、此时点，此时TB TL，达到新的平衡。转子从达到新的平衡。转子从a点运动到点运动到b点，正好走了一个步距角点，正好走了一个步距角qbe。这样，当绕组不断换接这样，当绕组不断换接时，步进电动机也不断做步进运动，步距角均为时，步进电动机也不断做步进运动，步距角均为qbe。但实际上由但实际上由于各种原因，如结构不对称等，实际的步距角与理论上的步距角于各种原因，如结构不对称等，实际的步距角与理论上的步距角之间有偏差，这个偏差以角分或理论步距角的百分数来表示，称之间有偏差，这个偏差以角分或理论步距角的百分数来表示，称为静态步距角误差，它的值越小，步进电动机的精度越高，因此为静态步距角误差，它的值越小，步

45、进电动机的精度越高，因此它是步进电动机的一项考核指标。它是步进电动机的一项考核指标。二二.步进电动机的负载能力（起动转矩步进电动机的负载能力（起动转矩Tst）各矩角特性的交点所对应的转矩各矩角特性的交点所对应的转矩Tst(Tq)，是电机作单步运动是电机作单步运动所能带动的极限负载，也称为起动转矩。实际电机所带的负载所能带动的极限负载，也称为起动转矩。实际电机所带的负载TL必须小于起动转矩才能运动，即必须小于起动转矩才能运动，即 TL Tst8.2.2 单步运行状态单步运行状态 如果矩角特性近似地看作为正弦形且其幅值相等，当步如果矩角特性近似地看作为正弦形且其幅值相等，当步距角距角 be 用电弧

46、度表示为用电弧度表示为 be=2/N（N拍数）拍数）时时,则矩角特则矩角特性交点为性交点为(be-)/2,则起动转矩则起动转矩Tq可用以下公式计算可用以下公式计算 Tq=-Tjmaxsin(be-)/2 =Tjmax cos(be/2)=Tjmax cos/N 显然拍数显然拍数(N=m或或2m)越多，起动转矩越多，起动转矩Tq越接近于越接近于Tjmax，实实际中根据负载选用电机时应留有相当余量才能保证可靠运行。际中根据负载选用电机时应留有相当余量才能保证可靠运行。8.2.2 单步运行状态单步运行状态三三.单步运行时转子振荡现象单步运行时转子振荡现象8.2.2 单步运行状态单步运行状态TbctT

47、Cqeqebe0 设步进电动机做理想空载运行，轴上阻转矩为零。如果开始时设步进电动机做理想空载运行，轴上阻转矩为零。如果开始时A相相单独通电，转子处于失调角单独通电，转子处于失调角qe0的位置，当绕组换接使的位置，当绕组换接使B相通电时，相通电时，B相定子齿轴线与转子齿轴线错开步距角。因此相定子齿轴线与转子齿轴线错开步距角。因此B相矩角特性与相矩角特性与A相相矩角特性也移动矩角特性也移动qbe角。角。B相通电后，转子在相通电后，转子在B相电磁转矩的作用下，相电磁转矩的作用下，由由a点向新的平衡位置点向新的平衡位置qe=qbe的的b点运动正好一个步距角。从理论上讲，点运动正好一个步距角。从理论上

48、讲，当转子齿移动到当转子齿移动到B相定子齿下，两轴线重合时，相定子齿下，两轴线重合时，Tem0，转子停止运转子停止运动、但由于转子的机械惯性作用，转速不为零，而是要继续向前运动、但由于转子的机械惯性作用，转速不为零，而是要继续向前运动。当动。当qeqbe时，电磁转短时，电磁转短TB为值，因而使转子减速，失调角为值，因而使转子减速，失调角qe越越大，负的大，负的TB越大，转子减速越快，直到转速为零。如果电机是理想越大，转子减速越快，直到转速为零。如果电机是理想空载，又没有阻尼作用，那么转子最终将运动到空载，又没有阻尼作用，那么转子最终将运动到c点，对应点，对应qe2qbe，这时这时B相定子齿轴线

49、与转子齿轴线反方向错开相定子齿轴线与转子齿轴线反方向错开qbe 角。角。以后电机又以后电机又在负的电磁转矩的作用下向反方向转动，又越过在负的电磁转矩的作用下向反方向转动，又越过b点回到开始出发点点回到开始出发点a。这样绕组每换接一次，如果无阻尼作用，电机转子就围绕新的平这样绕组每换接一次，如果无阻尼作用，电机转子就围绕新的平衡位置来回做无阻尼振荡，如图衡位置来回做无阻尼振荡，如图8.2.7所示。所示。三三.单步运行时转子振荡现象单步运行时转子振荡现象 事实上由于转子轴上的摩擦、事实上由于转子轴上的摩擦、磁阻及电磁阻尼等的存在，单步运磁阻及电磁阻尼等的存在，单步运行时转子围绕新平衡位置的振荡过行

50、时转子围绕新平衡位置的振荡过程总是衰减的。单步运行时所产生程总是衰减的。单步运行时所产生的振荡现象对步进电动机的运行是的振荡现象对步进电动机的运行是很不利的，它将影响系统的精度，很不利的，它将影响系统的精度，带来振动和噪声，严重时甚至使转带来振动和噪声，严重时甚至使转子失步。为此，在步进电动机中往子失步。为此，在步进电动机中往往专门设置了特殊的阻尼器如机械往专门设置了特殊的阻尼器如机械摩擦阻尼器等。摩擦阻尼器等。三三.单步运行时转子振荡现象单步运行时转子振荡现象8.2.3 步进电动机的连续运行和动特步进电动机的连续运行和动特性性一一.动态特性与矩频特性动态特性与矩频特性 在实际的控制系统中，步