1、第七章第七章 控制电机控制电机 在自动控制系统和计算装置中，作为执行元件、检测元件和计算元件使用的各种电机，统称为控制电机。它广泛应用于国防、航天航空技术、工业技术、民用领域、雷达、扫描跟踪、船舶方位控制、飞机自动驾驶、轧钢自动控制、数控机床、机器人、卫星遥控遥测、家用电器、办公设备等。控制电机一般是小容量的(也称为微特电机)，容量从几百毫瓦到数百瓦。但在大容量的自动控制系统(如轧钢、工业机器人和数控机床)中，控制电机的容量有的可达数十千瓦甚至数百千瓦。控制电机是在普通电机基础上发展起来的，就电磁感应原理而言，控制电机和普通电机没有本质的区别。普通电机完成机电能量转换，着重于起动和运行状态下的
2、力能指标；而控制电机主要用于信号的传递和转换，着重于特性的精度、运行可靠性和快速响应等指标。第一节第一节 伺服电动机伺服电动机 伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件，常用于工业机器人、数控机床和办公自动化设备中，其任务是将接收的电信号转换为轴上的角位移或角速度，以驱动控制对象。接收的电信号称为控制信号或控制电压，改变控制电压的大小和极性，就可以改变伺服电动机的转速和转向。自动控制系统对伺服电动机提出以下要求：1)无自转现象，即当控制电压为零时，电动机应迅速自行停转。2)具有较大斜率的机械特性，在控制电压改变时，电动机能在较宽的转速范围内稳定运行。3)具有线性的机械特性和调节特性，以保证控制精
3、度。4)快速响应性好，即机电时间常数小，因而伺服电动机都要求转动惯量小。常用的伺服电动机有两大类，以交流电源工作的称为交流伺服电动机；以直流电源工作的称为直流伺服电动机。一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机1.直流伺服电动机的结构和控制方式 电磁式(他励)和永磁式直流伺服电动机与对应的普通直流电动机在结构上并无本质上的差别，由于永磁式直流伺服电动机的结构简单、体积小、效率高，应用广泛。电磁式直流伺服电动机可以在励磁绕组上加恒压励磁，将控制电压施加于电枢绕组来进行控制，称为电枢控制；也可以在电枢绕组上施加恒压，将控制电压信号施加于励磁绕组来进行控制，这种方式称为磁场控制。由于电枢控制的特性好、电
4、枢控制回路电感小而响应迅速，在控制系统更多采用电枢控制。下面仅以电枢控制方式为例说明其特性。2.电枢控制方式的工作原理与特性 电枢控制时直流伺服电动机的原理图如图7-1所示。从工作原理来看，直流伺服电动机与普通直流电动机是完全相同的。伺服电动机的励磁绕组接于恒压直流电源Uf上，使其中通过电流If以产生磁通。电枢绕组作为控制绕组接收到控制电压Uc后，电枢绕组内的电流与磁场作用，产生电磁转矩，电动机转动；控制电压消失，电动机立即停转，保证了电动机无“自转”现象。电机及拖动基础第七章控制电机电枢控制时，直流伺服电动机的机械特性和他励直流电动机改变电枢电压时的人为机械特性相似，即 n与T的关系，即机械
5、特性曲线是线性的，且在不同的控制电压Uc下，得到一簇平行直线，如图7-2所示。从图中还可知：控制电压Uc越大，则n=0时对应的起动转矩T也越大，越利于起动。调节特性是指电磁转矩T一定时，电动机转速n与控制电压Uc的关系，由式(7-1)也可得到调节特性，如图7-3所示。显然，调节特性也是线性的，当T一定时，Uc高时n也高。调节特性在横坐标上的截距称为始动电压。在一定负载转矩T下，当控制电压Uc小于对应的始动电压时，电动机不转，称为失灵。在同样的负载下，始动电压越小，电动机灵敏度越高。二、交流伺服电动机二、交流伺服电动机1.交流伺服电动机的结构和基本工作原理 交流伺服电动机在结构上类似单相异步电动
6、机。它的定子铁心是用硅钢片或铁铝合金或铁镍合金片叠压而成，在其槽内嵌放两个空间相差90电角度的两个定子绕组，一个是励磁绕组，另一个是控制绕组。由以上分析可见，直流伺服电动机在电枢控制方式运行时，机械特性和调节特性的线性度好，调速范围大，效率高，起动转矩大，没有“自转现象”，可以说，具有理想的伺服性能。缺点是电刷和换向器的接触电阻数值不够稳定，对低速运行的稳定有一定影响。此外，电刷与换向器之间的火花有可能对控制系统产生有害的电磁波干扰。交流伺服电动机的转子结构有两种形式：一种是笼型转子，但为了减小转动惯量而做得细而长；另一种是用铝合金或纯铜等非磁性做成的空心杯形转子(简称为杯形转子)，其结构示意
7、图如图7-4所示。交流伺服电动机的原理图如图7-5所示。其中Nf为励磁绕组，由电压保持恒定的交流电源励磁。Nc为控制绕组，由伺服放大器供电。两相绕组Nf、Nc的轴线在空间相差90电角度。当励磁绕组接入额定励磁电压UfN，而控制绕组接入伺服放大器输出的额定控制电压UcN(即最大控制电压)，并且UfN与UcN相位差90时，两相绕组的电流在气隙中建立的合成磁通势是圆形旋转磁通势。其旋转磁场在杯形转子的杯形筒壁上或在笼型转子的导条中感应出电动势及其电流，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩。在圆形旋转磁场作用下，电动机如果拖动额定负载转矩，其转速为额定转速。即在额定负载、最大控制电压时，转子相应达到
8、最高转速。前面已指出：自动系统要求伺服电动机不能有“自转”现象。即交流伺服电动机一经转动后，当控制信号消失，在励磁绕组单独通电的情况下，转子必须停转，否则若像单相异步电动机那样，仍然可以继续旋转，则导致系统失控。那么交流伺服电动机是怎样实现不“自转”的呢?图7-6a所示的是普通单相单绕组异步电动机的机械特性(转子电阻小)，电动机用某种方法一经正向起动，则正向电磁转矩大于反向电磁转矩，合成转矩T是一正值，即T0，电动机继续旋转。因此若把交流伺服电动机的转子电阻增大到一定值，合成机械特性如图7-6b所示。从合成的机械特性看出，当控制电压消失后，处于单相运行状态的电动机的合成转矩T为负值，由于电磁转
9、矩为制动性质的，使电动机能迅速停止。所以为了克服电动机的“自转”现象，以防止误动作，在制造交流伺服电动机时，必须将转子电阻设计得很大。2.交流伺服电动机的控制方法和特性 交流伺服电动机不仅需具有受控于控制信号而起动和停转的伺服性，而且还需具有转速大小的可控性。交流伺服电动机的控制方法有三种：幅值控制、相位控制、幅-相控制。图7-7交流伺服电动机幅值控制接线图由于交流伺服电动机像单相异步电动机那样，一般在不对称状态下运行，不对称程度决定于控制电压与折算到控制绕组的励磁电压是否满足有效值相等且相位上相差90电角度的条件，如这个条件不满足，则气隙合成磁场不会是一个圆形旋转磁场，而是一个椭圆形的旋转磁
10、场。磁场的椭圆程度越大，正转旋转磁场相应地会削弱，反转旋转磁场则加强。因而，正转旋转磁场产生的正向转矩减小，反转旋转磁场产生的反向转矩增大，合成转矩降低，转速下降。这种不对称程度不仅因各种控制方式而异，而且控制电压信号不同时也有所不同，因此机械特性和调节特性应在控制信号系数为一定值的条件下去求作。当然，控制方法不同，信号系数的含义也不一样。(1)幅值控制幅值控制的工作原理如图7-7所示。幅值控制时，励磁绕组直接接到交流电源上，励磁电压Uf就是电源电压Us，即Uf=Us；控制绕组通过电阻分压与电压移相器移相90后接到同一交流电源上，使控制电压Uc与励磁电压Uf相位互差90电角度，Uc的幅值可以调
11、节。假定有效信号系数为e=Uc/Uf，式中Uf为折算到控制绕组的励磁电压。当e=1时，即Uc=Uf，气隙合成磁场为圆形旋转磁场，电动机的转速最高；当0e1时，即0UcUf，气隙合成磁场为椭圆形旋转磁场，且e越小，椭圆度越大，电动机的转速越低；当e=0时，即Uc=0，气隙磁场为定子在励磁绕组单相励磁下产生的脉振磁场，电动机停转。机械特性和调节特性如图7-8所示。图中v和分别是转速相对于同步转速、转矩相对起动转矩的比值。从机械特性曲线可看出，因交流伺服电动机转子电阻大，临界转差率sm大，机械特性很接近线性关系，且电动机运行于下降的机械特性，总是稳定的。所以，增大转子电阻，除了防止“自转”现象，还可
12、以扩大交流伺服电动机的稳定运行范围。但是转子电阻过大，会降低交流伺服电动机的起动转矩，以致影响其速应性。从机械特性曲线还可看出，随着e的减小，成正比下降，而v下降的程度慢，也就是说，随着e的减小，机械特性变软。调节特性可由机械特性求得，如在机械特性上作许多平行于横轴的转矩线，每一转矩线与机械特性相交很多点，将这些点的转速值与对应的控制信号值画成曲线，就得出该输出转矩下的调节特性。不同的转矩线就可得出不同的输出转矩下的调节特性。调节特性更清楚地表示出伺服电动机转速随控制信号变化的关系。一般自动控制系统要求伺服电动机调节特性为线性，从图中可看出，只有在v及e值都很小时调节特性才近似为线性。(2)相
13、位控制相位控制是指控制电压Uc的幅值不变，仅改变控制电压相位来进行控制。相位控制的工作原理如图7-9所示。励磁绕组恒接在交流电压Uf进行励磁，控制绕组通过移相器接到同一交流电压上。若保持控制电压大小不变，且与折算到控制绕组的励磁电压大小相等，即Uc=Uf，但在相位上控制电压滞后于励磁电压电角度，的变化范围为090。则有效信号系数e应取控制电压Uc滞后于励磁电压Uf90电角度的分量Ucsin与Uf之比，即 当=90时，sin=1，Uc与Uf 幅值相等，相位互差90，气隙磁场为圆形旋转磁场，电动机的转速最高；当090时，0sin1，旋转磁场为椭圆形旋转磁场，并且越小，椭圆度越大，电动机的转速越低；
14、当=0时，sin=0，Uc与Uf幅值相等，相位相同，相当于单相励磁，电动机产生制动转矩，使电动机停转。相位控制的机械特性和调节特性与幅值控制时的类似。(3)幅-相控制幅-相控制的接线如图7-10所示。这种控制方式是将励磁绕组通过串接电容后再接到稳压交流电源Us上，这时施加在励磁绕组上的电压Uf=Us-Ucf。施加在控制绕组上的电压Uc与电源电压Us同相位，分压电阻与控制绕组串接，当调节控制电压Uc的幅值来改变电动机的转速时，由于转子绕组的耦合作用，励磁绕组中电流If发生变化，使励磁绕组上的电压Uf及电容上的控制电压Ucf的大小及其之间的相位关系发生变化，这样，不仅控制电压Uc相对Uf的幅值变化
15、，而且相位也发生变化。因此这是一种幅值和相位的复合控制方式。当控制电压Uc=0时，电动机停转。第二节第二节 测速发电机测速发电机 测速发电机是一种测速元件，它将输入的机械转速转换为电压信号输出。在自动控制及计算装置中，测速发电机可作为检测元件、阻尼元件、计算元件和角加速信号元件。自动控制系统对测速发电机的要求是：输出电压与转速保持严格的线性关系，且不随温度等外界条件的改变而发生变化；转速的测量不影响被测系统的转速，即测速发电机的转动惯量小，响应快；输出电压对转速的变化反应灵敏，即测速发电机的输出特性斜率要大。按照测速发电机输出信号的不同，可分为直流、交流两大类。一、直流测速发电机一、直流测速发
16、电机1.直流测速发电机的结构和工作原理 直流测速发电机的结构与普通小型直流发电机相同，按励磁方式可分为他励式和永磁式两种。由于测速发电机的功率较小，而永磁式又不需另加励磁电源，且温度对磁钢特性的影响也没有因励磁绕组温度变化而影响输出电压那样严重，所以应用广泛。直流测速发电机的工作原理和直流发电机相同，其工作原理如图7-11所示。在恒定磁场中，当发电机以转速n旋转时，电刷两端产生的空载感应电动势E0为 可见空载运行时，直流测速发电机的空载感应电动势与转速成正比，电动势的极性与转速的方向有关。由于空载时Ia=0，直流测速发电机的输出电压就是空载感应电动势，即U0=E0，因而输出电压与转速也成正比。
17、有负载时，因电枢电流Ia=U/Ra，若不计电枢反应的影响，直流测速发电机的输出电压应为式中Ra电枢回路的总电阻，它包括电枢绕组电阻、电刷接触电阻；RL测速发电机负载电阻。将式(7-3)代入式(7-4)，并整理后可得 在理想情况下，Ra、RL和0均为常数，直流测速发电机的输出电压U与转速n仍成线性关系。只不过对于不同的负载电阻RL，测速发电机的输出特性的斜率也有所不同，它随负载电阻RL的减小而降低，如图7-12所示。2.产生误差的原因和改进方法 直流测速发电机输出电压U与转速n成线性关系的条件是0、Ra、RL保持不变。实际上，直流测速发电机在运行时，某些原因会引起这些量发生变化，引起误差。(1)
18、电枢反应的去磁作用当直流测速发电机带负载时，电枢电流引起电枢反应的去磁作用，使发电机气隙磁通减小。如当转速一定时，负载电阻越小，电枢电流越大；当负载电阻一定时，转速越高，图7-12直流测速发电机的输出特性电动势越大，电枢电流越大，它们都使电枢反应的去磁作用加大，0减小，输出电压和转速的线性误差加大，如图7-12所示，当转速很高时，输出特性变为非线性。因此，为了改善输出特性，必须削弱电枢反应的去磁作用。如使用直流测速发电机时，负载电阻RL不得小于规定值，转速不得高于规定值；对电磁式直流测速发电机，可以在定子磁极上安装补偿绕组。(2)电刷接触电阻的非线性因为电枢电路总电阻中包括电刷与换向器的接触电
19、阻，而这种接触电阻是非线性的，随负载电流变化而变化的。当电机转速较低时，相应的电枢电流较小，而接触电阻较大，电刷压降较大，这时测速发电机虽然有输入信号(转速)，但输出电压却很小，因而在输出特性上有一不灵敏区(失灵区)，引起线性误差，如图7-12所示。因此，为了减小电刷接触电阻的非线性，缩小不灵敏区，直流测速发电机常选用接触压降较小的金属石墨电刷。高精度的直流测速发电机还有选用铜电刷的。(3)温度的影响对电磁式直流测速发电机，因励磁绕组长期通过电流而发热，它的电阻也相应增大，引起励磁电流及磁通0的降低，从而造成线性误差。为了减小由温度变化所引起的磁通变化，在设计直流测速发电机时使磁路处于足够饱和
20、状态。同时可在直流测速发电机的励磁回路中串联一个温度系数很小、阻值比励磁绕组大35倍的用锰白铜(原称康铜)或锰铜材料制成的电阻。但上述抑制由温升造成磁通变化的措施，均使励磁功率增加，励磁损耗变大。图7-13是直流测速发电机在恒速控制系统中的应用原理图。若单独采用直流伺服电动机来拖动这个机械负载，由于直流伺服电动机的转速是随负载转矩而变化的，所以不能实现负载转矩变化而负载转速恒定的要求。因此，为了实现系统的转速恒定，采用与直流伺服电动机同轴连接一个直流测速发电机的方法来达到目的。先调节给定电压Ug，使直流伺服电动机的转速等于负载要求的转速。当负载转矩由于某种因素减小时，直流伺服电动机的转速便上升
21、，直流测速发电机转速也随之上升，输出电压Uf增加，Uf将反馈到输入端，与Ug比较，使差值电压Ud=Ug-Uf减小，经放大以后的输出电压随之减小，因而直流伺服电动机减速，系统转速基本不变。反之当负载转矩由于某种原因而略有增加时，系统的转速将下降，直流测速发电机的输出电压减小，因而差值电压Ud=Ug-Uf变大，经放大后加在直流伺服电动机上的电压也增大，直流伺服电动机转速上升。可见，该系统具有自动调节作用，使系统的转速近似于恒定值。二、交流测速发电机二、交流测速发电机 交流测速发电机有异步式和同步式两种，下面介绍在自动控制系统中应用较广的交流异步测速发电机。交流异步测速发电机的结构与交流伺服电动机的
22、结构一样。为了提高系统的快速性和灵敏度，减少转动惯量，目前广泛应用的交流异步测速发电机的转子都是空心杯形结构。在机座号小的测速发电机中，定子槽内嵌放着空间相差90电角度的两相绕组，其中一相绕组作为励磁绕组；另一相作为输出绕组。在机座号较大的测速发电机中，常把励磁绕组嵌放在外定子上，而把输出绕组嵌放在内定子上，以便调节内、外定子间的相对位置，使剩余电压最小。内、外定子间的气隙中为空心杯形转子。交流测速发电机的工作原理如图7-14所示。励磁绕组N1接于恒定的单相交流电源励磁U1，输出绕组N2则输出与转速大小成正比的电压信号U2。频率为f1的电压加在励磁绕组以后，励磁绕组中便有励磁电流If，产生直轴
23、(d轴)脉振磁场。当n=0，即转子不转时，励磁绕组与杯形转子之间的电磁关系和二次侧短路时的变压器一样，励磁绕组相当于变压器的一次绕组，杯形转子(看作是无数根并联导条组成的笼形转子)则是短路的二次绕组。此时，测速发电机的气隙磁场为脉振磁场，脉振频率为f1，其轴线就是励磁绕组轴线，与输出绕组的轴线(q轴)互相垂直。d轴的脉振磁通只能在空心杯转子中感应出变压器电动势，由于转子是闭合的，这一变压器电动势将产生转子电流，电流的方向如图7-14a所示。这是因为根据楞次定律，此电流所产生的磁通rd和励磁绕组产生的磁通方向相反，所以合成磁通仅为沿d轴的磁通d，如图7-14a所示。而输出绕组的轴线和励磁绕组轴线
24、空间位置相差90电角度，它与d轴磁通没有耦合关系，故不产生感应电动势，输出电压为零。即有n=0，U2=0。当n0，即转子转动以后，杯形转子中除了感应有变压器电动势外，同时因杯形转子切割磁通d，则在转子中感应产生一旋转电动势Erq，其方向由给定的转子转向，用右手定则判断，如图7-14b所示。而其有效值为式中Cq比例常数。在旋转电动势Erq的作用下，转子绕组中将产生交流电流Irq。由于杯形转子的转子电阻很大(比交流伺服电动机的还要大)，远大于转子电抗，则Erq与Irq基本上同相位，如图7-14b所示。由Irq所产生的磁通q也是交变的，q的大小与Irq以及Erq的大小成正比，即式中K比例常数。q的轴
25、线与输出绕组轴线(q轴)重合，由q在输出绕组中感应变压器电动势E2，其频率仍为f1，而有效值为 中N2KN2输出绕组的有效匝数，对已制成的发电机，其值为一常数。上述这些式子表明，当励磁磁通d恒定时，因Erqn，IrqErq，在线性磁路下，qIrq，E2q，故输出电动势E2可写成式中C1比例常数。所以我们得出结论，异步测速发电机输出绕组中所感应电动势E2的大小与转速n成正比；而对E2的频率，因d与励磁电源同频率，而Erq与d同频率，Irq与Erq同频率，q与Irq同频率，E2与q同频率，故输出电动势E2的频率与励磁电源的频率相同，而与转速的大小无关，使负载阻抗不随转速的变化而变化。异步测速发电机
26、的这一优点使它广泛用于控制系统。根据输出绕组的电动势平衡方程式，在理想状况下，异步测速发电机的输出电压U2也应与转速成正比。但是异步测速发电机的励磁漏阻抗的存在等因素使直轴磁通d不能完全保证是恒定值，还由于加工工艺引起的电磁不对称等及负载阻抗的性质等，都会引起输出特性的误差。详情请参阅有关控制电机书籍。若转子反转，则转子中的旋转电动势Erq电流Irq及其所产生的磁通d的相位均随之反相，而输出电压的相位也反相。第三节第三节 步进电动机步进电动机 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正
27、比，转速与脉冲频率成正比。因此，步进电动机又称脉冲电动机。步进电动机是用电脉冲信号控制的执行元件，除用于各种数控机床外，在平面绘图机、自动记录仪表、航空航天系统和数/模转换装置等，也得到广泛应用。步进电动机的结构形式和分类方法较多，一般按励磁方式分为磁阻式、永磁式和混磁式三种；按相数可分为单相、两相、三相和多相等形式。下面以应用较多的三相磁阻式步进电动机为例，介绍其结构和工作原理。一、三相磁阻式步进电动机模型的结构和工作原理一、三相磁阻式步进电动机模型的结构和工作原理1.结构 三相磁阻式步进电动机模型的结构示意图如图7-15所示。它的定、转子铁心都由硅钢片叠成。定子上有六个磁极，每两个相对的磁
28、极绕有同一相绕组，三相绕组接成星形作为控制绕组；转子铁心上没有绕组，只有四个齿，齿宽等于定子极靴宽。2.工作原理 三相磁阻式步进电动机的工作原理如图7-16所示。当U相控制绕组通电，V、W两相当U相控制绕组通电，V、W两相控制绕组图7-15三相磁阻式步进电动机模型的结构示意图均不通电时，由于磁力线力图通过磁阻最小路径闭合，转子将受到磁阻转矩的作用，使转子齿1和3与定子U相极轴线对齐，如图7-16a所示。此时磁力线所通过磁路路径的磁阻最小，磁导最大，转子只受径向力而无切向力作用，磁阻转矩为零，转子停止转动；当V相绕组通电，U、W两相断电时，由于同样原因，将使转子逆时针方向转过30空间角，即转子齿
29、2和4与V相极轴对齐，如图7-16b所示；同理，当W相绕组通电，U、V两相断电时，转子在磁阻转矩的作用下又逆时针方向转过30空间角，如图7-16c所示。这样按U-V-W-U顺序通电时，转子就在磁阻转矩的作用下按逆时针方向一步一步地转动。步进电动机的转速取决于控制绕组变换通电状态的频率，即输入脉冲频率，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序，若通电顺序为U-W-V-U，则步进电动机反向旋转。控制绕组从一种通电状态变换到另一种通电状态叫做“一拍”，每一拍转子转过一个角度，这个角度叫步距角s。上述三相依次单相通电方式，称为“三相单三拍运行”，“三相”是指定子为三相绕组，“单”是指每拍只有一相绕组通电，
30、“三拍”是指三次换接通电为一个循环，第四次换接通电重复第一次情况。实际应用中，三相单三拍运行方式很少采用，因为这种运行方式每次只有一相绕组通电，使转子在平衡位置附近来回摆动，运行不稳定。三相磁阻式步进电动机的通电方式除“单三拍”外，还有“双三拍”和“三相六拍”等通电方式。三相双三拍运行方式，即按UV-VW-WU-UV顺序通电，每次有两相绕组同时通电，每一循环也是换接三次。运行情况与三相单三拍相同，步距角不变，s=30。如果步进电动机按U-UV-V-VW-W-WU-U顺序通电时，称为三相六拍运行方式。每一循环换接六次。当U相通电时，转子齿与U相绕组轴线对齐，如图7-17a所示。当U、V两相同时通
31、电时，转子逆时针方向转过15空间角，如图7-17b所示。当V相绕组通电时，转子在磁阻转矩作用下又逆时针转过15空间角，如图7-17c所示。依次类推，每拍转子只转过15空间角。由此可见，三相六拍运行方式的步距角比三相单三拍和三相双三拍运行减小了一半，s=15。双三拍和六拍通电方式，在切换过程中，总有一相绕组处于通电状态，转子磁极受其磁场的控制，因此不易失步，运动也较平稳，在实际工作中应用较广泛。上述三相磁阻式步进电动机模型的步距角太大、很难满足生产中小位移量的要求。为了减小步距角，实际中是将转子和定子磁极都加工成多齿结构。下面介绍常见的小步距角三相磁阻式步进电动机。二、小步距角三相磁阻式步进电动
32、机二、小步距角三相磁阻式步进电动机1.结构和步进原理 三相磁阻式步进电动机断面接线图，如图7-18所示。定子有三对磁极，每相一对，相对的极属于一相，每个定子磁极的极靴上各有许多小齿，转子周围上均匀分布着许多个小齿。根据步进电动机工作的要求，定、转子的齿距必须相等，且转子齿数不能为任意数值。因为在同相的两个磁极下，定、转子齿应同时对齐或同时错开，才能使几个磁极作用相加、产生足够磁阻转矩，所以，转子齿数应是每相磁极的整倍数。除此之外，在不同相的相邻磁极之间的齿数不应是整数，即每一极距对应的转子齿数不是整数。定、转子齿相对位置应依次错开t/m(m为相数，t为齿距)，这样才能在连续改变通电的状态下获得
33、不断的步进运动。否则，当任一相通电时，转子齿都将处于磁路的磁阻最小的位置上。各相轮流通电时，转子将一直处于静止状态，电动机将不能运行，无工作能力。若步进电动机转子齿数zr=40，齿、槽宽度相等，相数m=3，当一相绕组通电时，在气隙中形成的磁极数2p=2，则每一极距所占的转子齿数为 也就是说，当U相一对极下定、转子齿一一对齐时，则V相下转子齿沿U-V-W-U方向滞后定子齿1/3齿距(齿距角t=360/40=9)。同理，W相下转子齿沿U-V-W-U方向滞后定子齿2/3齿距，如图7-19所示。如按三相单三拍运行，当U相绕组通电时，便建立一个以U-U为轴线的磁场，转子齿力图处于磁路的最小磁阻位置，因此
34、定、转子齿在U-U相下一一对齐。当U相断电、V相通电时，转子便转过1/3齿距的空间角度，即3，定、转子齿便在V-V相下一一对齐。由于V相通电时，转子按U-W-V-U方向转过1/3齿距，这时W相绕组的一对极下定、转子齿相差1/3齿距，所以V相断电、W相通电时，转子又转过1/3齿距的空间角，定、转子齿在W-W相下一一对齐。这样定子绕组若按U-V-W-U依次通电，转子按U-W-V-U方向转过一个齿距。由于每一拍转子只转过齿距角的1/N(N为拍数)，所以步距角为 步进电动机若按三相六拍方式运行，拍数增加一倍，步距角减小一半，每一拍转子只转过齿距角的1/6，即这时步进电动机的步距角为1.5，即 应予说明
35、的是：减小步距角有利于提高控制精度；增加拍数可缩小步距角。拍数取决于步进电动机的相数和通电方式。除常用的三相步进电动机以外，还有四相、五相、六相等形式。然而相数增加使步进电动机的驱动器电路复杂，工作可靠性降低。2.连续运行 如果控制脉冲电源的频率f很高，步进电动机就不是一步一步地转过一个步距角，而是连续地转动。当频率恒定时，电动机作匀速运动。因每当输入一个脉冲，转子转过1/Nzr转，则步进电动机转速为 由上式可知，磁阻式步进电动机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。当转子齿数一定时，转速与输入脉冲频率成正比，与拍数成反比。步进电动机在连续运行状态下不失步的最高频率，称为运行频率。运行频率越高
36、，一定条件下表征了电动机的调速范围越大。电动机不失步起动的最高频率，称为起动频率。由于在起动时不仅要克服负载转矩，而且还要平衡因起动加速度形成的惯性转矩，所以起动频率一般设得较低才能保证电动机有足够大的转矩。当连续运行时，电动机转矩主要平衡负载转矩，因加速度而形成的惯性转矩影响较小，电动机的运行频率较高。为了获得良好的起、制动速度特性，保证不出现失步，以满足控制精度的要求，在电动机的脉冲控制电路中，均设有升、降频控制器，以实现起动时逐渐升频、停转前逐渐降频的过程。由于步进电动机的转速不受电压和负载变化的影响，也不受环境条件(温度、压力、冲击和振动等)的限制，而只与脉冲频率成正比，所以它能按照控制脉冲数的要求，立即起动、停止和反转。在不失步的情况下运行，角位移的误差不会长期积累，所以步进电动机可用在高精度的开环控制系统中，如果采用了速度和位置检测装置，也可用于闭环系统。
