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第十一章 步进电动机传动控制系统

11.1 步进电动机

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时，其转轴就转过一个固定的角度（步距角），顺序连续地发给脉冲，则电机轴一步接一步地运转。

图11.1 步进电动机实物图

步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，运行中无累积误差。

步进电机能方便地实现正、反转和调速、定位控制。特别是不需位置传感器或速度传感器就可以在开环控制下精确定位或同步运行。因此，步进电动机广泛应用在数字控制的各个领域。如各种数控机械、办公自动化产品、工厂自动化机器、计算机外设等。

步进电动机的缺点是不能达到很高的转速（一般小于1000到2000转/min）。存在低频振荡、高频失步等缺陷。另外，步进电机自身的噪声和振动较大。

一、步进电动机的工作原理

步进电动机的种类很多，按工作原理分，有反应式（Variable-reluctance）、永磁式（Permanent-magnet）、混合式（Hybrid）三种。按输出转矩大小分，有快速步进电机、功率步进电机。按励磁相数分有二、三、四、五、六、八相等。按定子排列还可分为多段式(轴向式)和单段式(径向式)。

步进电动机的结构形式虽然繁多，但工作原理基本相同，下面仅以三相反应式步进电动机为例说明之。

如图11.2所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图。和一般旋转电动机一样，

步进电机也分为定子和转子两大部分。定子部分由定子铁心、绕组、绝缘材料等组成。定子铁心是由硅钢片叠压而成的有齿的圆环状铁心。图中定子有6个磁极，每对磁极上绕有励

A'B'C'磁绕组，由外部脉冲信号对各相绕组轮流励磁。如图所示。

ABCK1K2K3转子部分由转子铁心、转轴等组成。转子铁心是由硅钢片或软磁材料叠压而成的齿形铁心。图中转子上有4个凸齿。

若对励磁绕组以一定方式通以直流励磁电流，则转子以相应的方式转动。其转动原理其实就是电磁铁的工作原理 。

比如，给A相绕组通电时，转子位置如图（a），转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁

磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时(图b)，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。

对于上述三相反应式步进电机，其运行方式有单三拍、单双拍及双三拍等通电方式。“单”、“双”、“拍”的意思是：“单”是指每次切换前后只有一相绕组通电，“双”就是指每次有两相绕相通电；而从一种通电状态转换到另一种通电状态就叫做一“拍”。

下面请仔细观看动画演示 结论：

1)三相单三拍工作方式：指对三相绕组单独轮流通电，三次换相（三拍）完成一个通电循环。通电顺序为A—B－Ｃ－Ａ时，转子按顺时针方向一步一步转动。通电顺序改为A－Ｃ－Ｂ－Ａ，时，转子按逆时针方向一步一步转动。可见，欲改变步进电机的旋转方向，则只要改变通电顺序即可。

电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距角（此例中转子有四个齿，则齿距角为90° ）电流每换接一次转子前进一个角度称为步距角。此例中电流换接三次走完一个齿距角，则步距角为30°

2）三相单、双六拍工作方式：按A-AB-B-BC-C-CA-A或A-CA-C-BC-B-AB-A相序循环通电。同样，通电顺序改变时，旋转方向改变。而电流换接次数多了一倍，步子走得更细了，步距角为15°

3）三相双三拍工作方式：按AB-BC-CA-AB或AC-CA-BC-AC相序循环通电。步距角与三相单三拍工作方式相同也30°，运行稳定性较前者好。

综上所述，可得出：

?通电频率提高，步进电动机的转速升高。

?每一循环中通电拍数越多，步距角减小。步进电动机的转速降低。 二、小步距角步进电机

上述三相反应式步进电机的步距角显然太大，不适合一般用途的要求，下面讨论实际的小步距角步进电动机。

小步距角步进电动机结构特点：如图

定转子外园均有齿和槽。定子、转子的齿宽和齿距相等。定子极面小齿和转子上的小齿位置符合下列规律：当A相的定子齿和转子齿对齐时(如图所对应位置)，B相的定子齿应相对于转子齿顺时针方向错开1/3齿距，而C相的定子齿又应相对于转子齿顺时针方向错开2/3齿距。 也就是，当某一相磁极下定子与转子的齿相对时，下一相磁极下定子与转子齿的位置则刚好错开t/m、2t/m 、

3t/m …依此类推。（ t ——齿距；m——相数）

当定子通电循环一周时，转子转过一个齿距。设转子齿数为Z，

则转子齿距为：

??360?/z因为每通电一次，转子走一步，故步距角为:

?＝齿距/拍数＝360?/ZKm

式中，K——状态系数(单三拍、双三拍时，K=1；单、双六拍时，K=2)。 360?若步进电动机的Z=40，三相单三拍运行时，其步距角???3?

3?40360?若按三相六拍运行时，步距角???1.5?

2?3?40由此可见，步进电动机的转子齿数Z和定子相数(或运行拍数)愈多，则步距角愈小，控制越精确。

当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时，步进电动机就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为f(HZ)，步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为：

2?f?f60KmZn?60?60?f

2?2?KmZ13.2步进电动机的驱动电源

一、驱动电源的组成

步进电机的运行要求足够功率的电脉冲信号按一定的顺序分配到各相绕组。所以，与其它旋转电机不同的是步进电机的工作需要专门的驱动。步进电机的驱动包含脉冲分配（环行分配）和功率放大两部分。如图所示。步进电机与驱动部分是一个不可分开的有机整体，步进电机系统的性能除了与电机本身的性能有关外，在很大程度上取决于所使用的功率驱动电路的类型与优劣。下图为常见的三相步进电机驱动系统结构示意图。

功率放大器步进脉冲 f方向信号 脉 冲 分 配 器A 三 相 步 进电 机功放电路 功放电路 功放电路 BC 负载 分配器电源 功率电源 图中，若步进电机按三相单三拍方式运行，则脉冲分配器输出的A、B、C如下图所示。 当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按A-B-C的顺序循环产生脉冲。

fABC

当方向电平为高时，脉冲分配器的输出按A-C-B的顺序循环产生脉冲。