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。 角位移 输入脉冲个数 运行速度 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 输入脉冲频率 励磁相数 二、三、四、五、六、八相等 13.1 步进电动机结构与工作原理 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。 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。 13.1 步进电动机结构与工作原理 种类：励磁式和反应式两种。 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。 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。 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 IA 定子 转子 IC C IB B 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。 13.1 步进电动机结构与工作原理 13.1.1 三相单三拍 A相绕组通电，B、C 相 A B 4 1 2 3 C B C A 不通电。由于在磁场作用下， 转子总是力图旋转到磁阻 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 A B A C B B C B A C A C 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 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)。 13.1.2 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 获得更的控制特性。 A B 4 1 C 2 C 3 A A相通电，转子1、 3齿与A、A 对齐。 B A B C B A C 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。 A B C B A C B 相通电，转子2、 4齿与B、B? 对齐,又转 过15?。 A B C B A C 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。 A B A C B B A C B B C C A C A C A B AB通电 BC通电 CA通电 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 360? ?? Zr m 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个齿， 齿距角是9?；定子仍是 6个磁极，但每个磁极表 面加工有五个和转子一样的齿。 应用： 步进电动机的应用非常广泛，如各种数控 机床、自动绘图仪、机器人等。 13.2 步进电动机的步距角 由一个通电状态改变到下一个通电状态时，电动机转子所转过 的角度称为步距角。T11-2.SWF ?＝360?/ZKm 其中：Z－转子齿数 m－定子绕组相数 K－通电系数 K=1,2 若二相步进电动机的Z=100，单拍运行时，其步距角 360? ?? ? 1.8? 2 ?100 若按单、双通电方式运行时，步距角 360? ?? ? 0.9? 2 ? 2 ?100 13.2 步进电动机的步距角 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。 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 ?f 60 KmZ n? 60 ? 60 ? f 2? 2? KmZ 13.3 步进电动机的主要性能指标 1. 步距角 2. 工作频率：在转子不失步的情况下，电动机连续工作时， 输入脉冲信号的频率。 3. 突跳频率：在转子不失步的情况下，电动机能增加和减 小的频率。 4. 步距差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。 5. 输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小 步进电动机的输出转矩与脉冲频率的函数关系称为矩频特性。 13.4 步进电动机的驱动电源 一、驱动电源的组成 步进脉冲 f A 脉 冲 分 配 器 功率放大器 功放电路 B C 功放电路 功放电路 方向信号 三 相 步 进 电 机 负载 分配器电源 功率电 源 脉冲分配器+功率放大电路 1. 脉冲分配器 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。 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。 f A B C 2.功率放大器 f A C B 将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供 电，使电动机的转子产生输出转矩。 二、步进电动机的脉冲分配器 步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现。 硬件环形分配器：由计数器等数字电路组成的。有较好的响应 速度，且具有直观、维护方便等优点。 软件环分：由计算机接口电路和相应的软件组成的。受到微型 计算机运算速度的限制，混合式步进电机有时难以满足高速实时控制的要求。 1.硬件环形分配器 2．软件环形分配 软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态， 从而产生一定的脉冲分配输出。 1) 输出接口 输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一对 应起来。 8031单片机本身包含4 个8位I/O端口，分别为P0、 P1、P2、P3。 若要实现三相步进电动机 的脉冲分配，需要三根输出口 线位作为脉冲分配的 输出。 8031 P1.0 P1.1 P1.2 A 驱 B 动 器 C 三、步进电动机的功率放大电路 步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉 冲具有一定的功率驱动能力。 由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，混合式步进电机因此，功率放大 电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。 1.单电压驱动电路 +U L V L－是电动机绕组 VT－开关晶体管 C R RD 电阻R两端并联电容 C，使电流上升更快， 所以，电容C又称为加速电容。混合式步进电机 二极管 V 在晶体管 VT 截止时起续流和保护 作用，串联电阻使电流下降更快，从而使绕 组电流波形后沿变陡。 VT 2.高低压切换型驱动电路 高低压驱动线路的优点是：功耗小，启动力矩大，突跳频率和 工作频率高。缺点是：大功率管的数量要多用一倍，增加了驱动电 源。 +80V Ub2 VT2 L R Ub1 VT1 V2 V1 +12V Ub1 0 Ub2 0 I 0 t1 t2 t3 t t t
以上信息由无锡惠斯通电机科技有限公司整理编辑，了解更多步进电机,两相步进电机,混合式步进电机信息请访问http://www.huistong.com