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步进电动机传动控制系统 * * 第 13 篇 13.1 步进电动机结构与工作原理  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。 步进电动机的分类： 工作原理 反应式 永磁式 混合式 输出转 矩大小 快速步进电机 功率步进电机 励磁相数 二、三、四、五、六、八相等 角位移 输入脉冲个数 运行速度 输入脉冲频率 特点: (1)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。 (3)改变脉冲顺序，可改变转动方向。 步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲 信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉 冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段 距离。 13.1 步进电动机结构与工作原理 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。 种类：励磁式和反应式两种。 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的 结构和工作原理。 13.1 步进电动机结构与工作原理 步进电动机的工作原理 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。 三相反应式步进电动机的原理结构图如下： A B C IA IB IC 定子内圆周 均匀分布着六个 磁极，磁极上有 励磁绕组，每两 个相对的绕组组 成一相。转子有 四个齿。 定子 转子 13.1.1 三相单三拍 C A B B C A 3 4 1 2 A相绕组通电，B、C 相 不通电。由于在磁场作用下， 转子总是力图旋转到磁阻最 小的位置，故在这种情况下， 转子必然转到左图所示位置： 1、3齿与A、A′极对齐。 13.1 步进电动机结构与工作原理 C A B B C A 3 4 1 2 同理，B相通电时，转子会转过30?角，2、4 齿和B、B′ 磁极轴线对齐；当C相通电时，转子 再转过30?角，1、3齿和C′、C 磁极轴线对齐。 1 C 3 4 2 C A B B A 13.1 步进电动机结构与工作原理 这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。 按A?B ?C ?A ? ……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)转过90°(一个齿距角)。 13.1 步进电动机结构与工作原理 13.1.2 三相六拍 按A?AB ?B ?BC ?C ? CA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。 C A B B C A 3 4 1 2 C A B B C A 3 4 1 2 A相通电，转子1、 3齿与A、A 对齐。 A、B相同时通电， A、A 磁极拉住1、3齿，B、B 磁极拉住2、4齿，转子转过15?，到达左图所示位置。 C A B B C A 3 4 1 2 B 相通电，转子2、 4齿与B、B′ 对齐,又转 过15?。 3 4 1 2 C A B B C A B、C相同时通电， C 、C 磁极拉住1、3 齿，B、B 磁极拉住 2、4齿，转子再转过 15?。 三相反应式步进电动机的一个通电循环周 期如下：A?AB ?B ?BC ?C ? CA，每个循 环周期分为六拍。 每拍转子转过15?（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90? (齿距角)。 与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更 小，更适用于需要精确定位的控制系统中。 13.1.3 三相双三拍 按AB ?BC ?CA的顺序给三相绕组轮流通 电。每拍有两相绕组同时通电。 AB通电 C A B B C A 3 4 1 2 BC通电 3 4 1 2 C A B B C A CA通电 C A B B C A 3 4 1 2 与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循 环周期也分为三拍。每拍转子转过30? (步距角)， 一个通电循环周期(3拍)转子转过90?(齿距角)。 从以上对步进电机三种驱动方式的分析可 得步距角计算公式： ? —步距角 Zr —转子齿数 m —每个通电循环周期的拍数 实用步进电机的步距角多为3?和1.5? 。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，如教材图10.4.4所示。图中转子表面有40