1、2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础 7.4 7.4 步进电动机步进电动机 一、概述一、概述 二、反应式步进电动机的工作原理和分类二、反应式步进电动机的工作原理和分类 三、反应式步进电动机的结构原理三、反应式步进电动机的结构原理 四、反应式步进电动机的运行特性四、反应式步进电动机的运行特性 五、步进电动机的电源五、步进电动机的电源 .2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础一、概述一、概述 步进电机是一种特殊电机，它是将输步进电机是一种特殊电机，它是将输入的电脉冲转换成转子转过的角度，给一入的电脉冲转换成转子转过的角度，给一个脉冲转过一个角度，精度非常高。个脉冲
2、转过一个角度，精度非常高。 步进电机需要一个特殊电源，能够步进电机需要一个特殊电源，能够产生脉冲并分配脉冲。产生脉冲并分配脉冲。.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础种类种类： 有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。应用：应用： 步进电机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动步进电机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动 绘图仪等设备中都得到应用。绘图仪等设备中都得到应用。 下面以三相反应式步进电机为例说明步
3、进电机的结下面以三相反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。构和工作原理。.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础二、反应式步进电动机的工作原理和分类二、反应式步进电动机的工作原理和分类 步进电机主要由两部分构成：定子和转子，它们均步进电机主要由两部分构成：定子和转子，它们均由导磁由导磁材料构成。例下图分别有六个、四个齿材料构成。例下图分别有六个、四个齿(极极) 。定子定子转子转子定子绕组定子绕组三相反应式：三相反应式：.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极
4、组成一相。 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。的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。的区别。ABC定子定子转子转子IAIBIC.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础 工作方式工作方式 步进电机的工作方式可分为：步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。三相双三拍等。1 1、三相单三拍、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
5、顺序为：A 相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相 C 相相 B 相相 .2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础（3）工作过程）工作过程化，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力图使通电相磁路的磁阻最小最小，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 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。若转转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用定角度，则在磁场的作用下，转子被磁下，转子被磁A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和
6、齿和 AA 对齐。对齐。CABBCA3412.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础CABBCA3412同理，同理，B相通电，转子相通电，转子2、4齿和齿和B相轴线对齐，相轴线对齐，相对相对A相通电位置转相通电位置转30 ；C相通电再转相通电再转30 。1C342CABBA.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础转子有四个齿，每个齿转子有四个齿，每个齿3603600 0/4=90/4=900 0定子有三相，即定子有三相，即 m=3m=3转过的角度为转过的角度为30300 0后可知后可知 S=3600/Zrm寻找规律：寻找规律：.2008、11、15河海大学常州校
7、区电机与电力拖动基础 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。.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础2 2、三相单双六拍、三相单双六拍
8、 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。CABBCA3412.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础所以转子转到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，通电，转子转了转子转了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。CABBCA3412.2008、11
9、、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，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 。.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础3 3、三相双三拍、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CABBCA3412BC通电通电CABBCA3412.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双
10、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。工作方式为三相双三工作方式为三相双三拍时，每通入一个电拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转脉冲，转子也是转30 ，即，即 S = 30 。CA通电通电CABBCA3412.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础 三、反应式步进电动机的结构原理三、反应式步进电动机的结构原理 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，步度，步距角越小，机加工的精度越高。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，图中转为产生小步距角
11、，定、转子都做成多齿的，图中转子子40个齿，定子仍是个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极上也有五个齿个磁极，但每个磁极上也有五个齿。.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础转子的齿距等于转子的齿距等于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。齿宽和齿槽和转子相同。.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础工作原理：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 1）A A 相通电时，定子相通电时，定子A A 相的五个小齿和转
12、子对相的五个小齿和转子对齐。此时，齐。此时，B B 相和相和 A A 相空间差相空间差120120 ，含，含 120120 /9/9 = = 齿齿 A A 相和相和 C C 相差相差240240 ，含，含240240 / / 9 9 = = 个个齿。所以，齿。所以，A A 相的转子、定子的五个小齿对相的转子、定子的五个小齿对齐时，齐时，B B 相、相、C C 相不能对齐，相不能对齐，B B相的转子、相的转子、定子相差定子相差 1/3 1/3 个齿（个齿（3 3 ），），C C相的转子、定相的转子、定子相差子相差2/32/3个齿（个齿（6 6 ）。）。31133226.2008、11、15河海大
13、学常州校区电机与电力拖动基础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 。此电机的转动方向仍由相序决定。此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 相断电、相断电、B 相通电后，转子只需转过相通电后，转子只需转过1/3个个 齿（齿（3 ），使），使 B 相转子、定子对齐。相转子、定子对齐。.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础f：电脉冲的频率电脉冲的频率 转速转速mCZffnrs6036060 步进机通过一个电脉冲步进机通过一个电脉冲, ,转子转过的角度转子转过的角度, ,称
14、为称为步距角。步距角。m: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mCZrS360如：如：Zr=40 , m=3 时时3340360S步距角步距角.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础 四、反应式步进电动机的运行特性四、反应式步进电动机的运行特性 步进电动机不改变通电情况的运行状态称为静态运行。电步进电动机不改变通电情况的运行状态称为静态运行。电机定子齿与转子齿中心线之间的夹角机定子齿与转子齿中心线之间的夹角 叫做失调角，用电角度表叫做失调角，用电角度表示。步进电动机静态运行时转子受到的反应转矩示。步进电动机静态运行时转子受到的反应转矩 叫做静转矩，叫做静
15、转矩，通常以使通常以使 增加的方向为正。步进电机的静转矩增加的方向为正。步进电机的静转矩 与失调角之间的与失调角之间的关系关系 叫做矩角特性。叫做矩角特性。静态运行状态静态运行状态.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础步进电动机的转矩和转角 sinsmTT.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础步进电动机的主要参数: 1 1、步距角、步距角2 2、转速、转速3 3、功角特性和转矩特性、功角特性和转矩特性4 4、起动频率和工作频率、起动频率和工作频率mCZrS360mCZffnrs6036060.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础.2008、
16、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础五、步进电动机的控制及电源五、步进电动机的控制及电源步进电动机的控制绕组中需要一系列的有一定规律的电脉冲信号，从而使电机按照生产要求运行。这个产生一系列有一定规律的电脉冲信号的电源称为驱动电源。步进电动机的驱动电源主要包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲放大器三个部分，其方框图如图所示。1 1、传统型控制、传统型控制.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础2 2、现代型控制、现代型控制1 1）单片机直接控制）单片机直接控制2 2）单片机控制专用芯片）单片机控制专用芯片.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础不可编程芯片不可编程芯片L298L298控制控制.2008、11、15河海大学常州校区电机与电力拖动基础可编程芯片可编程芯片MMC-1MMC-1控制控制.
