第11章步进电机.ppt

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1、11.1 概述概述11.2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 和基本特点和基本特点11.3 步进电动机的矩角特性和静态转矩步进电动机的矩角特性和静态转矩11.5 步进电动机的连续脉冲运行和动特性步进电动机的连续脉冲运行和动特性第第11章章 步进电动机步进电动机11.6 步进电动机的主要性能指标及技术数据步进电动机的主要性能指标及技术数据11.4 步进电动机的单步运行状态步进电动机的单步运行状态11.1 概述概述11.1 概述概述机理机理 步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号 转换成线位移或角位移的电机。每来一个转换成线位移或角位移的电机。每

2、来一个 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。动一小段距离。步进电动机步进电动机脉冲分配脉冲分配器和功放器和功放 knf特点特点 (1)来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，改变方向。改变脉冲顺序，改变方向。打印机打印机应用应用切线机切线机种类：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。上

3、没有励磁线圈。下下面面以以反反应应式式步步进进电电机机为为例例说说明明步步进进电电机的结构和工作原理。机的结构和工作原理。要求要求 (1)在控制脉冲的控制下能迅速启动、正反转、在控制脉冲的控制下能迅速启动、正反转、停转及在很宽的范围内进行转速调节。停转及在很宽的范围内进行转速调节。(2)步距角小、步距精度高，不得丢步或越步。步距角小、步距精度高，不得丢步或越步。(3)动作迅速。动作迅速。(4)输出转矩大，可直接带动负载。输出转矩大，可直接带动负载。1 1、结构结构 步步进进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，下下图图为为一一台台

4、三三相相反反应应式式步步进进电电动动机的典型结构图，其上分别有六个、四个磁极机的典型结构图，其上分别有六个、四个磁极。定子定子转子转子定子绕组定子绕组11.2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 和基本特点和基本特点基本结构基本结构14 23(1)定子定子(2)转子转子U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步进三相磁阻式步进电动机原理图电动机原理图 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”的概念的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。的联接和组数的区别。齿距角齿距角 t=360z

5、R=3604=90 步进电动机的典型结构步进电动机的典型结构 U2U1W2W1V1V2 注意：注意：定子磁极上小齿的齿距和转子上小齿的齿定子磁极上小齿的齿距和转子上小齿的齿距必须相等，而且转子的齿数有一定的限制。距必须相等，而且转子的齿数有一定的限制。2、工作原理、工作原理 一拍一拍 从一次通电到另一次通电。从一次通电到另一次通电。步距角步距角 每一拍转子转过的角度。每一拍转子转过的角度。(1)m 相单相单 m 拍运行（三相单三拍运行）拍运行（三相单三拍运行）(2)m 相双相双 m 拍运行（三相双三拍运行）拍运行（三相双三拍运行）(3)m 相单双相单双 2m 拍运行（三相单双六拍运行）拍运行（

6、三相单双六拍运行）磁通的一个性质：磁通的一个性质：尽量把自己收缩到最短，尽量把自己收缩到最短，使之所经过的路径磁阻最小使之所经过的路径磁阻最小。14 2314 2314 2314 23U1U2V1V2W2W1(1)m 相单相单 m 拍运行（三相单三拍运行）拍运行（三相单三拍运行）通电顺序：通电顺序：U 相相V 相相W 相相U 相。相。U 相通电相通电 14 23U1U2V1V2W2W114 23 V 相通电相通电 U1U2V1V2W2W1 W 相通电相通电 14 2314 23一步一步两步两步三步三步 步距角：步距角：b=30 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

7、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 b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。(2)m 相双相双 m 拍运行（三相双三拍运行）拍运行（三相双三拍运行）通电顺序：通电顺序：UV 相相VW 相相WU 相相。14 23U1U2V1V2W2W1 UV 相通电相通电

8、14 2314 23U1U2V1V2W2W1 VW 相通电相通电 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 WU 相通电相通电 14 23 步距角：步距角：b=3014 2314 23(3)m 相单双相单双 2m 拍运行拍运行(三相单双六拍运行）三相单双六拍运行）通电顺序：通电顺序：UUV VVW W WU U。14 23U1U2V1V2W2W1114 23U1U2V1V2W2W1214 23U1U2V1V2W2W1314 23U1U2V1V2W2W1414 23U1U2V1V2W2W1514 23U1U2V1V2W2W1614 23步距角：步距角：b=15 步距角步距角 b=360Zr

9、NZr：转子齿数：转子齿数N：拍数：拍数 转速转速 一个一个b 转转(1/zrN)圈，圈，脉冲频率为脉冲频率为 f 每秒转每秒转(f /zrN)圈。圈。n=60 fZr N例如：例如：三相步进电动机三相步进电动机 Zr=40，则则采用单采用单/双三拍双三拍时：时：采用三相六拍采用三相六拍时：时：b=360ZrN 360403=3b=360ZrN 360406=1.5n=60 fZr N=60 f 360360 Zr N=f6b 当脉冲频率一定时，步矩角越小，电当脉冲频率一定时，步矩角越小，电机转速越低，而输出功率越小机转速越低，而输出功率越小。自锁能力自锁能力 停止输入脉冲时，让最后一个脉冲控

10、制的绕组停止输入脉冲时，让最后一个脉冲控制的绕组继续通入直流电，则步进电动机就能保持在固定继续通入直流电，则步进电动机就能保持在固定的位置上，实现停车时转子定位。的位置上，实现停车时转子定位。四相反应式步进电动机的结构3 3、小步距角的步进电动机、小步距角的步进电动机 实际采用的步进电实际采用的步进电机的步距角多为机的步距角多为3 3度和度和1.51.5度，步距角越小，机度，步距角越小，机加工的精度越高。加工的精度越高。为产生小步距角，为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，定、转子都做成多齿的，图中转子图中转子5050个齿，定子个齿，定子仍是仍是 8 8个磁极，但每个个磁极，但每个磁极上也有磁

11、极上也有5 5个齿。个齿。四相反应式步进电动机的结构转子的齿距转子的齿距等于等于360/50=7.2 ，齿宽、齿槽，齿宽、齿槽各各3.6 。为使转、定子的齿对为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转齿，齿宽和齿槽和转子相同。子相同。当某相的定、转子齿对当某相的定、转子齿对齐时，其齐时，其相邻两相极下相邻两相极下的定、转子齿错开应的定、转子齿错开应(1/m)齿距角齿距角，以便为，以便为下一相的齿能吸引做准下一相的齿能吸引做准备。备。ABCDA t41 t21 t41 t定子一个极距定子一个极距所占的所占的齿数齿数50/2*4=6(1/4)。7.2/4=1.8 当当

12、A相对齐时，与相对齐时，与A相相相邻的相邻的B相和相和D相各错相各错开开(1/4)t。ABCDA t41 t21 t41 tABCDAABCD设通电顺序为设通电顺序为四相八拍运行时步矩四相八拍运行时步矩角为角为(1/8)t。ABCDA t41 t21 t41 tABCDAAABBBC设通电顺序为设通电顺序为81 tCCDDDA 【例例11-1】一台三相反应式步进电动机，采用三相一台三相反应式步进电动机，采用三相 六拍运行方式，转子齿数六拍运行方式，转子齿数 Zr=40，脉冲电源频率为，脉冲电源频率为 800 Hz。(1)写出一个循环的通电顺序；写出一个循环的通电顺序；(2)求电动机的步距求电动

13、机的步距 角角 b；(3)求电动机的转速求电动机的转速 n；(4)求电动机每秒钟转过求电动机每秒钟转过的机械角度的机械角度 。解：解：(1)因为采用三相六拍运行方式，通电顺序为：因为采用三相六拍运行方式，通电顺序为：U UV V VW W WU 或或 U UW W WV V VU(2)三相六拍运行方式时，三相六拍运行方式时，N=6，故，故 b=1.5 360 ZrN 360 406 (3)电动机的转速为电动机的转速为 n=r/min=200 r/min 8006040660fZrN(4)每秒钟转过的机械角度为每秒钟转过的机械角度为 =Ni b=8001.5 =1200 =360 =360 =1

14、200 200 60 n 60 11.2.2 基本特点基本特点 根根据据上上述述的的工工作作原原理理可可以以归归纳纳步步进进电电动动机机基基本本特特点如下：点如下：（1）步步进进电电动动机机工工作作时时，每每相相绕绕组组由由专专门门驱驱动动电电源通过源通过“环形分配器环形分配器”按一定规律轮流通电。按一定规律轮流通电。例例如如一一个个按按三三相相双双三三拍拍运运行行的的环环形形分分配配器器输输入入是是一路，输出有一路，输出有A、B、C三路。三路。若若开开始始是是A、B这这两两路路有有电电压压，输输入入一一个个控控制制电电脉脉冲后，就变成冲后，就变成B、C这两路有电压；这两路有电压；再输入一个电

15、脉冲，则变成再输入一个电脉冲，则变成C、A这两路有电压；这两路有电压；再输入一个电脉冲，又变成再输入一个电脉冲，又变成A、B这两路有电压了。这两路有电压了。（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“分分配方式配方式”。每循环一次所包含的通电状态数称为每循环一次所包含的通电状态数称为“状态数状态数”或或“拍数拍数”。状态数等于相数的称为单拍制分配方式状态数等于相数的称为单拍制分配方式(如三相双如三相双三拍、四相双四拍等三拍、四相双四拍等)；状态数等于相数的两倍的称为双拍制分配方式状态数等于相数的两倍的称为双拍制分配方式(如如三相六拍，四相八拍等三相六拍，四相八拍等

16、)。同一台电机可有多种分。同一台电机可有多种分配方式。配方式。（3）每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为）每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角，用符号步距角，用符号b表示。表示。（4）反反应应式式步步进进电电动动机机可可以以按按特特定定指指令令进进行行角度控制，角度控制，也可以进行速度控制。也可以进行速度控制。角角度度控控制制时时，每每输输入入一一个个脉脉冲冲，定定子子绕绕组组就就换换接接一一次次，输输出出轴轴就就转转过过一一个个角角度度，其其步步数数与与脉脉冲冲数数一一致致，输输出出轴轴转转动动的的角角位位移移量量与与输输入入脉脉冲数成正比。冲数成正比。速速度度控控制制时时，送送入

17、入步步进进电电动动机机的的是是连连续续脉脉冲冲，各各相相绕绕组组不不断断地地轮轮流流通通电电，步步进进电电机机连连续续运运转转，它的转速与脉冲频率成正比。它的转速与脉冲频率成正比。1.每相脉冲频率每相脉冲频率f 步进电动机在工作时，每步进电动机在工作时，每相绕组要通过相绕组要通过“环形分配器环形分配器”按一定的规律轮流通电。按一定的规律轮流通电。分配方式分配方式：轮流通电方式：轮流通电方式状态数状态数：循环一次的拍数：循环一次的拍数N单拍制分配方式单拍制分配方式：N=m双拍制分配方式双拍制分配方式：N=2m不论何种分配方式，每循不论何种分配方式，每循环一次，加在每相绕组上环一次，加在每相绕组上

18、的脉冲个数等于的脉冲个数等于1。UkUaUbUctttt12 3 43拍拍所以，控制脉冲频所以，控制脉冲频率率f是每相脉冲频率是每相脉冲频率f 的的N倍：即倍：即 f=N f 几个参数几个参数 1.每相脉冲频率每相脉冲频率f UkUaUbUc12 3 43拍拍所以，控制脉冲频所以，控制脉冲频率率f是每相脉冲频率是每相脉冲频率f 的的N倍：即倍：即 f=N f t56 78AABBBC设通电顺序为设通电顺序为CCA不论何种分配方式，不论何种分配方式，每循环一次，加在每每循环一次，加在每相绕组上的脉冲个数相绕组上的脉冲个数等于等于1 1。2.步距角be因一个通电循环转过一个齿距角因一个通电循环转过

19、一个齿距角。故当运行拍数为故当运行拍数为时，步距角时，步距角 b=t/N；齿距角齿距角 t=360o/ZR；所以步距角：所以步距角：若把转子齿数视为转子极对数，若把转子齿数视为转子极对数，则则一个齿距就对应一个齿距就对应360o 电角度电角度。拍一个循环，即走过一个齿距角，所以步距角拍一个循环，即走过一个齿距角，所以步距角运行拍数运行拍数N=km;(k=1,2;m为相数为相数)b=360oN ZR(机械角机械角)be=360oN(电角度电角度)用电角度表示的步用电角度表示的步距角与齿数无关。距角与齿数无关。步距角有步距角有机械角度机械角度和和电角度电角度两种表示方法。两种表示方法。be=360

20、oNZRZR=b ZR两者的关系为：两者的关系为：11.3 11.3 反应式步进电动机的静态特性反应式步进电动机的静态特性 在反应式步进电动机的在反应式步进电动机的控制绕组中通入恒定直流，控制绕组中通入恒定直流，且不改变通电状态，此种工且不改变通电状态，此种工作状态称为静态。作状态称为静态。1.1.初始稳定位置初始稳定位置 空载、绕组通以直流时空载、绕组通以直流时转子的最后稳定平衡位置。转子的最后稳定平衡位置。2.2.失调角失调角 e e 转子偏离初始稳定位置转子偏离初始稳定位置时的电角度时的电角度。(一个齿距对一个齿距对应应360360o o电角度电角度)1 12 23 34 41 1 2

21、2 3 3 4 4 1 1 2 2 3 3 4 4 1 12 23 34 4e3.3.静态特性静态特性 控制绕组通入恒定直流，且不改变通电状态时，控制绕组通入恒定直流，且不改变通电状态时，步进电动机的静转矩步进电动机的静转矩T T 与转子失调角与转子失调角 e e 的函数关的函数关系称为静态特性，或称系称为静态特性，或称矩角特性矩角特性。虽然步进电动机总是处于动态下运行，但静态虽然步进电动机总是处于动态下运行，但静态特性是分析动态运行的基础。特性是分析动态运行的基础。11.3.1 11.3.1 单相控制时的矩角单相控制时的矩角特性特性 1.1.静态转矩静态转矩(定性分析定性分析)e e=0 0

22、o o ：只有径向只有径向磁拉力，无切向磁拉力，故磁拉力，无切向磁拉力，故不会产生转矩，即不会产生转矩，即T=T=0 0；1 12 23 34 41 1 2 2 3 3 4 4 e e=0 0o o 0o e90o除受径向拉力外，还受切向除受径向拉力外，还受切向拉力，故产生转矩拉力，故产生转矩T。e=90o转子所受切向拉力达最大：转子所受切向拉力达最大：TTjm=F 2ZsZRlG1F =WI 为每相绕组的磁动势；为每相绕组的磁动势；G1为气隙比磁导的基波幅值。为气隙比磁导的基波幅值。e增加增加，磁力线扭曲严重，磁力线扭曲严重，径向拉力减小而切向拉力增径向拉力减小而切向拉力增加，加，所以所以

23、T 增大增大。的方向与偏转方向相反。的方向与偏转方向相反。12341234 360o eTZs为定子每极下小齿；为定子每极下小齿；ZR为转子齿；为转子齿；l为铁心长度。为铁心长度。Tjm 与磁路结构，绕与磁路结构，绕组匝数和通入的电流组匝数和通入的电流大小等因素有关。大小等因素有关。90o e 180o 虽然磁力线扭曲更严重，虽然磁力线扭曲更严重，但由于磁阻显著变大，进入但由于磁阻显著变大，进入小齿的磁力线减小。小齿的磁力线减小。所以随着所以随着 e的增加。转矩的增加。转矩反而下降，但方向不变。反而下降，但方向不变。e=180o 定子齿对准转子槽，转子定子齿对准转子槽，转子受到定子相邻两个齿大

24、小相受到定子相邻两个齿大小相等，方向相反的磁拉力作等，方向相反的磁拉力作 用，故用，故0。12341234 360o eT12341234 360o e若e超过180o则转子则转子3 号齿数将摆号齿数将摆脱定子脱定子3号齿，进入定号齿，进入定子子2号齿的吸引范围。号齿的吸引范围。或者说转子就不会或者说转子就不会回到原来的稳定平衡回到原来的稳定平衡位置。而是位置。而是进入一个进入一个新的稳定平衡位置新的稳定平衡位置。所以所以 在一周内，转子有在一周内，转子有ZR个稳定的平衡位置。个稳定的平衡位置。用同样的方法可以分析用同样的方法可以分析 e向另一个方向偏转时的情向另一个方向偏转时的情况。况。12

25、34p p360o123451234 360o123452.静态特性静态特性(矩角特性矩角特性)分析分析 矩角特性大致是一条正弦曲线：矩角特性大致是一条正弦曲线：T=-Fd2ZsZR lG1sin e=-Tjm sin e Nm 负号说明负号说明T 的方向与的方向与 e增加的增加的方向相反。方向相反。外力使转子偏离原点，外力使转子偏离原点，只要不超过只要不超过180o，一旦，一旦外力取消，在外力取消，在T 的作用下，的作用下，转子将回到初始稳定平衡转子将回到初始稳定平衡位置。位置。T e0o90o180o-180o-90o原点为原点为初始平衡初始平衡位置位置空载静稳定区空载静稳定区 负载时，静

26、稳定区负载时，静稳定区域将减小。域将减小。1.每相脉冲频率每相脉冲频率f 步进电动机在工作时，每步进电动机在工作时，每相绕组要通过相绕组要通过“环形分配器环形分配器”按一定的规律轮流通电。按一定的规律轮流通电。分配方式分配方式：轮流通电方式：轮流通电方式状态数状态数：循环一次的拍数：循环一次的拍数N单拍制分配方式单拍制分配方式：N=m双拍制分配方式双拍制分配方式：N=2mUkUaUbUctttt12 3 43拍拍几个参数几个参数 1.每相脉冲频率每相脉冲频率f UkUaUbUc12 3 46拍拍所以，控制脉冲频所以，控制脉冲频率率f是每相脉冲频率是每相脉冲频率f 的的N倍：即倍：即 f=N f

27、 t56 78AABBBC设通电顺序为设通电顺序为CCA不论何种分配方式，不论何种分配方式，每循环一次，加在每每循环一次，加在每相绕组上的脉冲个数相绕组上的脉冲个数等于等于1 1。静态特性静态特性(矩角特性矩角特性)分析分析 矩角特性大致是一条正弦曲线：矩角特性大致是一条正弦曲线：T=-Fd2ZsZR lG1sin e=-Tjm sin e Nm 负号说明负号说明T 的方向与的方向与 e增加的增加的方向相反。方向相反。外力使转子偏离原点，外力使转子偏离原点，只要不超过只要不超过180o，一旦，一旦外力取消，在外力取消，在T 的作用下，的作用下，转子将回到初始稳定平衡转子将回到初始稳定平衡位置。

28、位置。T e0o90o180o-180o-90o原点为原点为初始平衡初始平衡位置位置空载静稳定区空载静稳定区 负载时，静稳定区负载时，静稳定区域将减小。域将减小。11.3.2 多相控制下的矩角特性由由Tjm=F 2ZsZRlG1可知可知 Tjm F 2=(IW)2 所以所以多相通电时的多相通电时的Tjm与单相通电时不同。与单相通电时不同。当磁路不饱和时，多相通电的矩角特性可用当磁路不饱和时，多相通电的矩角特性可用叠加原理求得。叠加原理求得。1.三相三相步进电动机，两相通电步进电动机，两相通电一个通电循环，电动机转过一个齿距角。一个通电循环，电动机转过一个齿距角。在单拍制分配下，在单拍制分配下，

29、m拍为一个循环拍为一个循环故一步转过故一步转过1/m齿距角，用电角度表示就是齿距角，用电角度表示就是360o/m。将将 e的坐标取在的坐标取在A相磁极的中心线上相磁极的中心线上则则A相通电时的矩角特性：相通电时的矩角特性：TA=-Tjmsin e而而B相通电时的矩角特性：相通电时的矩角特性：TB=-Tjmsin(e-120o)当当AB相同时通电时：相同时通电时：TAB=TA+TB=-Tjmsin(e-60o)=120om360o be=be=120o e=0oBAC当一相极下的定转子齿对齐时，相邻极下的齿总是当一相极下的定转子齿对齐时，相邻极下的齿总是错开错开360o/m电角度，为下一相通电能

30、吸引做准备。电角度，为下一相通电能吸引做准备。矩角特性曲线矩角特性曲线 因矩角特性因矩角特性为正弦函数，为正弦函数，故也可以用相故也可以用相量图表示量图表示 单相和两相同时通电，单相和两相同时通电，Tjm相等相等 即增加通电相数不能提高最大转矩，这即增加通电相数不能提高最大转矩，这是三相的缺点。但六拍时能平衡运行，这是三相的缺点。但六拍时能平衡运行，这是其优点。是其优点。T eTABTATB60o120o0o-180o180oTATBTABB 相相通电通电时的稳定时的稳定平衡位置平衡位置AB同时通同时通电时的稳电时的稳定平衡位定平衡位置置60o60o2.五相步进电动机，五相步进电动机，2、3相

31、通电相通电TA=-Tjmsin eTB=-Tjmsin(e-360o5)TC=-Tjmsin(e-2 360o5)通电顺序为通电顺序为TABTATBTCTAB=TA+TB =-2Tjmcos36osin(e-36o)TABC=(TA+TB)+TC=-2Tjmcos36osin(e-72o)72o72o36oTABCABABCBC BCD CDEABEADEADECDE由于由于2、3相同时通电产生的静转矩比单相通电大，且相同时通电产生的静转矩比单相通电大，且相等。所以采用相等。所以采用5相相10拍拍供电方式能平稳运行。供电方式能平稳运行。不同通电状态时的矩角特性不同通电状态时的矩角特性每切换一次

32、电源，就对应一条矩角特性。对应不同每切换一次电源，就对应一条矩角特性。对应不同通电状态的矩角特性的总和，称为通电状态的矩角特性的总和，称为矩角特性族矩角特性族。TABTABCT e0o-180o180oTATBTCTDTE36o72o3.m相步进电动机，相步进电动机，n相通电相通电T1=-Tjmsin e T2=-Tjmsin(e-be)T3=-Tjmsin(e-2 be)Tn=-Tjmsin e-(n-1)beT1n=i=1nTi=-Tjmsin besin2n besin e-2(n-1)式中：式中：be=m2 be 单拍制分配方式时单拍制分配方式时的步距角的步距角(电角度或电角度或电弧度

33、电弧度)2T1n=-Tjmsin msinmnsin e-(n-1)m 多相通电时的最大转矩多相通电时的最大转矩m=5，若两相绕组同时通电若两相绕组同时通电(n=2)若三相绕组同时通电若三相绕组同时通电(n=3)则：则：Tjm(1n)=Tjmsin msinmn 一般而言，除了三相外，多相电机的多相通电都一般而言，除了三相外，多相电机的多相通电都能提高输出转矩，故一般功率较大的步进电动机能提高输出转矩，故一般功率较大的步进电动机（称为功率步进电动机）都采用大于三相的电动（称为功率步进电动机）都采用大于三相的电动机，而且是多相通电的分配方式。机，而且是多相通电的分配方式。11.4 11.4 反应

34、式步进电动机的单步动态特性反应式步进电动机的单步动态特性步进电动机在外加脉冲下工作，脉冲频率不同，电步进电动机在外加脉冲下工作，脉冲频率不同，电动机的运行性能也不同。动机的运行性能也不同。常按频率高低分成三个区段进行分析常按频率高低分成三个区段进行分析 脉冲频率极低的步进运行脉冲频率极低的步进运行 输入绕组的控制脉冲间隔时间大于步进电动机输入绕组的控制脉冲间隔时间大于步进电动机的过渡过程时间，即为步进运行状态或单步运行；的过渡过程时间，即为步进运行状态或单步运行；高频脉冲的连续运行高频脉冲的连续运行 一步尚未走完，下一脉冲接着加上，此时转子一步尚未走完，下一脉冲接着加上，此时转子不是作步进运动

35、，而是处于连续运行状态；不是作步进运动，而是处于连续运行状态；介于上述脉冲频率之间的运行。介于上述脉冲频率之间的运行。一步一步11.4.1 单步运行状态时的动态特性单步运行状态时的动态特性 1.动稳定区和稳定裕度动稳定区和稳定裕度 (1)动稳定区：动稳定区：指步进电动机从一种通电状态换接指步进电动机从一种通电状态换接到另一种通电状态时到另一种通电状态时，不至引起失步的区域。不至引起失步的区域。设初始状态的矩角特性为曲线设初始状态的矩角特性为曲线“n”，改变通电状态，矩角特改变通电状态，矩角特性变为曲线性变为曲线“n+1”，n eo T+be-空载时，转子处空载时，转子处于稳定平衡点于稳定平衡点

36、O新的稳定平新的稳定平衡点由衡点由O 变变为为 O。n+1a对应对应a点的转矩使点的转矩使转子前进一步。转子前进一步。o空载动稳定区空载动稳定区 y稳定稳定裕度裕度(-+be)e (+be)为空载动稳为空载动稳定区。定区。(-+be)eTL，所以转子加速并向所以转子加速并向 e增大的方向运动。增大的方向运动。最后达到新的稳定最后达到新的稳定平衡位置平衡位置b点。点。TA eo T-aTLTBb ea若负载转矩为TL则稳定平衡位置为则稳定平衡位置为a。尽管尽管TjmTL，但却不能带但却不能带动负载动负载TL作步进运行。只能作步进运行。只能在静态下保持稳定。在静态下保持稳定。步进电动机能带动的最大

37、步进电动机能带动的最大负载转矩比最大静转矩小负载转矩比最大静转矩小。TA eo T-aTLTBb eab通电状态改变瞬间，通电状态改变瞬间，新的转矩对应新的转矩对应TB曲曲线上的线上的b点。点。因因TB(ea)TL，故转子不能达到新故转子不能达到新的稳定平衡点的稳定平衡点b而是向而是向 e减少的方减少的方向滑动。向滑动。起动转矩起动转矩Tq的的求法求法Tq=Tjmsin-be2=Tjmcos be2Tq=TjmcosN 单拍制单拍制 N=m；双拍制双拍制 N=2m。由相邻两条矩角特由相邻两条矩角特性的交点来确定性的交点来确定。-be2TA eo T-TjmTBTq beTq是步进电机作单步运行

38、时的极是步进电机作单步运行时的极限负载能力，也称起动转矩。限负载能力，也称起动转矩。单拍制时，正常结构的反应式单拍制时，正常结构的反应式步进电动机最小相数必须是大步进电动机最小相数必须是大于于3；若相邻矩角特性的幅值不等若相邻矩角特性的幅值不等,不能用上式计算起动转矩。不能用上式计算起动转矩。Tq与矩角特性的曲线与矩角特性的曲线的形状有关，步进电动的形状有关，步进电动机的理想矩角特性应为机的理想矩角特性应为矩形波，这样矩形波，这样Tq=Tjm。拍数越多步矩角越小 Tq 越大。Tq=TjmcosN TA eo T-TBTC三相三拍运行时的三相三拍运行时的TqTABTBCTCA三相六拍运行时的三相

39、六拍运行时的TqTq=TjmTATB e0-T11.4.2 转子的振荡现象转子的振荡现象 改变通电状态，由改变通电状态，由于惯性的作用，步进于惯性的作用，步进电动机的转子不是单电动机的转子不是单调地趋向新平行位置，调地趋向新平行位置，而是要经历一个振荡而是要经历一个振荡过程后，才能稳定在过程后，才能稳定在新的平衡位置上。新的平衡位置上。如果在运动中如果在运动中无阻尼无阻尼及其及其它能量损耗，则电机就环绕它能量损耗，则电机就环绕新的平衡位置来回作不衰减新的平衡位置来回作不衰减振荡，振荡，称自由振荡。称自由振荡。eTA0TTBa2 be bet eabbccba自由振荡自由振荡的幅值为的幅值为步距

40、角步距角 be若振荡角频率用0表示，则振荡频率和周期为自由振荡角频率与振荡的幅值有关：自由振荡角频率与振荡的幅值有关：N大大 be小小振荡幅度振荡幅度(be)小小振荡频率振荡频率 f0 高高。当转子在平衡位置附近作当转子在平衡位置附近作微小振荡微小振荡时，其振荡的时，其振荡的角频率称为角频率称为固有振荡角频率固有振荡角频率，用，用 0表示。表示。0由电机本身的电气和机械参数决定。由电机本身的电气和机械参数决定。根据运动方程可求得：根据运动方程可求得：f0=02 1=T0=f0 02 0=TjmZRJ 由于轴上的摩擦、风阻、内部存在电阻尼等因由于轴上的摩擦、风阻、内部存在电阻尼等因素，转子的振荡

41、总是衰减的。素，转子的振荡总是衰减的。阻尼越大，衰减越阻尼越大，衰减越快，最后停止在新的快，最后停止在新的稳定平衡位置。稳定平衡位置。振荡现象影响了系统振荡现象影响了系统的精度，带来了振动的精度，带来了振动及噪音，甚至使转子及噪音，甚至使转子失步。失步。为使振荡衰减得快，在步进电动机中一般要装特为使振荡衰减得快，在步进电动机中一般要装特殊的阻尼器。殊的阻尼器。eto beT02T0T02T04 11.7 步进电动机主要性能指标步进电动机主要性能指标 1.最大静转矩最大静转矩Tjmax 最最大大静静转转矩矩是是指指步步进进电电动动机机在在规规定定的的通通电电相相数数下下矩矩角特性上的转矩最大值。

42、角特性上的转矩最大值。绕绕组组电电流流越越大大，最最大大静静转转矩矩也也越越大大，如如图图11-46所所示示。通通常常技技术术数数据据中中所所规规定定的的最最大大静静转转矩矩是是指指每每相相绕组通上额定电流时所得的值。绕组通上额定电流时所得的值。一一般般说说来来，最最大大静静转转矩矩较较大大的的电电机机，可可以以带带动动较较大大的负载。的负载。负载转矩和最大静转矩的比值通常取为负载转矩和最大静转矩的比值通常取为0.30.5左右，左右，即即 TL=(0.30.5)Tjmax图图11 46 最大静转矩最大静转矩Tjmax按按最最大大静静转转矩矩的的值值可可以以把把步步进进电电动动机机分分为为伺伺服

43、服步进电动机和功率步进电动机。步进电动机和功率步进电动机。前前者者输输出出力力矩矩较较小小，有有时时需需要要经经过过液液压压力力矩矩放放大器或伺服功率放大系统放大后再去带动负载。大器或伺服功率放大系统放大后再去带动负载。而而功功率率步步进进电电动动机机的的最最大大静静转转矩矩一一般般大大于于5Nm。它不需要力矩放大装置就能直接带动负载运动。它不需要力矩放大装置就能直接带动负载运动。简化了系统，提高了传动的精度。简化了系统，提高了传动的精度。提提高高输输出出转转矩矩，制制造造功功率率步步进进电电动动机机是是当当前前步步进电动机发展方向之一。进电动机发展方向之一。2.步距角步距角 b 每输入一个脉

44、冲信号时转子转过的角度称为步距角。每输入一个脉冲信号时转子转过的角度称为步距角。步距角大小直接影响步进电动机的起动和运行频率。步距角大小直接影响步进电动机的起动和运行频率。外外型型尺尺寸寸相相同同的的电电机机，步步距距角角小小的的往往往往起起动动及及运运行行频率比较高，但转速和输出功率不一定高。频率比较高，但转速和输出功率不一定高。步步进进电电动动机机驱驱动动对对象象多多是是直直线线运运动动，需需加加装装如如滚滚珠珠丝杠等机械装置将旋转变为直线运动。丝杠等机械装置将旋转变为直线运动。步步距距角角 b可可根根据据系系统统要要求求的的脉脉冲冲当当量量(每每一一脉脉冲冲步步进进电动机带动负载移动的直

45、线位移量电动机带动负载移动的直线位移量)和丝杠螺距确定。和丝杠螺距确定。3.静态步距角误差静态步距角误差 b 静静态态步步距距角角误误差差即即实实际际的的步步距距角角与与理理论论的的步步距距角角之之间间的的差差值值，通通常常用用理理论论步步距距角角的的百百分分数数或或绝绝对对值值来衡量。来衡量。静静态态步步距距角角误误差差小小，表表示示电电机机精精度度高高。b通通常常是在空载情况下测量的。是在空载情况下测量的。4.起动频率起动频率fq和起动矩频特性和起动矩频特性(1)含义：含义：电机在一定的负载转矩下，能够不失步电机在一定的负载转矩下，能够不失步地起动的脉冲最高频率称为起动频率地起动的脉冲最高

46、频率称为起动频率(或突跳频率或突跳频率)；(2)意义：衡量快速性意义：衡量快速性的重要技术指标；的重要技术指标；(3)指标分空载起动频率指标分空载起动频率 fq0和负载起动频率和负载起动频率 fqL。fqL比比 fq0低得多。低得多。原因：电动机在起动时，电磁转矩除克服负载阻原因：电动机在起动时，电磁转矩除克服负载阻转矩转矩TL外，还要保证一定的加速转矩外，还要保证一定的加速转矩 J(d2 dt2)，所所以负担比连续运转时为重，起动频率稍高，转速就以负担比连续运转时为重，起动频率稍高，转速就跟不上，发生失步。跟不上，发生失步。连续稳定运行时，加速度很小，电动机能随频率连续稳定运行时，加速度很小

47、，电动机能随频率的升高正常升速。的升高正常升速。(4)起动频率与负载大小有关起动频率与负载大小有关 指标分空载起动频率指标分空载起动频率 fq0和负载起动频率和负载起动频率 fqL。起动频率fq比连续运行频率fy低得多。产品目录上一般都有空载起动频率的数据。产品目录上一般都有空载起动频率的数据。但在实际使用时，进电动机大都要在带负载的情但在实际使用时，进电动机大都要在带负载的情况下起动。况下起动。这时，负载起动频率是一个重要指标。这时，负载起动频率是一个重要指标。5.运行频率运行频率fy和运行矩频特性和运行矩频特性 在在TL 和和JL 一定的情况下，步进电动机正常连续运行一定的情况下，步进电动

48、机正常连续运行时所能加的最高脉冲频率称为最高连续运行频率时所能加的最高脉冲频率称为最高连续运行频率fy。或称或称最高跟踪频率最高跟踪频率。fy是重要技术指标，与是重要技术指标，与TL 和和JL 有关：有关：负载转动惯量负载转动惯量JL增加，摩擦力矩相应增大，机械阻增加，摩擦力矩相应增大，机械阻尼作用加强，尼作用加强，fy将发生变化。将发生变化。空载运行频率空载运行频率fy0大于额定负载运行频率大于额定负载运行频率fyN。(5)在给定驱动电源条件下，负载转动惯量在给定驱动电源条件下，负载转动惯量 J 一定时，一定时，起动频率起动频率fq与负载转矩与负载转矩TL的关系称作起动矩频特性。的关系称作起

49、动矩频特性。提高 fy的方法：影响影响fy的主要原因是：的主要原因是：通入绕组中的电流随频率的升高而减少。通入绕组中的电流随频率的升高而减少。在绕组中串入电阻，并相应提高电源电压。在绕组中串入电阻，并相应提高电源电压。这样可减小时间常数这样可减小时间常数(a=LR)，使电流迅速上升。使电流迅速上升。采用高、低压驱动电路采用高、低压驱动电路，以提高脉冲起始部分以提高脉冲起始部分电压，改善电流波形前沿。使之迅速上升。电压，改善电流波形前沿。使之迅速上升。如如 70BF03 型步进电动机，空载时型步进电动机，空载时fy0=16kHz；负载负载为为2kgf cm时，时，fyN=4kHz。为提高生产效率

50、，希望为提高生产效率，希望 fy 高一些。高一些。由由于于运运行行频频率率比比起起动动频频率率要要高高得得多多，所所以以使使用用时时常常通通过过自自动动升升、降降频频控控制制线线路路先先在在低低频频(不不大大于于起起动动频频率率)下下使使电电机机起起动动，然然后后逐逐渐渐升升频频到到工工作作频频率率使使电电机处于连续运行。升频时间一般不大于机处于连续运行。升频时间一般不大于1 s。注注意意，步步进进电电动动机机的的起起动动频频率率、运运行行频频率率及及其其矩矩频频特特性性都都与与电电源源形形式式有有密密切切关关系系。使使用用时时首首先先必必须须了解给出的性能指标是在怎样形式的电源下测定的。了解