第5章步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

5.1概述

5.2反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

5.3反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

5.4反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性

5.5

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的其他類型

5.6

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)5.1概述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將輸入的脈沖電信號(hào)變換為角位移或直線位移，給一個(gè)脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)前進(jìn)一步，因此稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

（1）控制系統(tǒng)對(duì)的基本要求在電脈沖的控制下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能迅速起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、制動(dòng)和停車，調(diào)速范圍寬廣；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角要小，步距精度要高，不丟步不越步；工作頻率高、響應(yīng)速度快。（2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類按其工作方式不同，可分為功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和伺服步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩類。按勵(lì)磁方式的不同，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可分為反應(yīng)式、永磁式和感應(yīng)子式三類。5.2.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)定子鐵心

定子鐵心為凸極結(jié)構(gòu)，由硅鋼片迭壓而成。在面向氣隙的定子鐵心表面有齒距相等的小齒。圖5-1四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)定子繞組

定子每極上套有一個(gè)集中繞組，相對(duì)兩極的繞組串聯(lián)構(gòu)成一相。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子上只有齒槽沒(méi)有繞組，系統(tǒng)工作要求不同，轉(zhuǎn)子齒數(shù)也不同。5.2反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理5.2.2工作原理1.工作原理以四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例。定子有八個(gè)極，相對(duì)兩極的繞組串聯(lián)成一相，構(gòu)成四相；轉(zhuǎn)子六個(gè)齒，齒寬等于定子極靴的寬度。

（a）A相通電（b）C相通電（c）B相通電（d）D相通電圖5-2四相單四拍運(yùn)行A相繞組通電，在磁阻轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子齒1和4的軸線與定子A極軸線對(duì)齊；斷開(kāi)A相接通C相，轉(zhuǎn)子齒3和6的軸線與C極軸線對(duì)齊，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)15°；斷開(kāi)C相接通B相，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過(guò)15°；斷開(kāi)B相接通D相，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)15°。四相單四拍每次只接通一相繞組的四相供電方式稱為四相單四拍。四相雙四拍每次同時(shí)接通兩相繞組，如AC→CB→BD→DA→…，也是四拍一個(gè)循環(huán)，則稱為四相雙四拍。雙拍運(yùn)行與單拍運(yùn)行時(shí)步距角相同，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩一般會(huì)增加。四相八拍A→AC→C→CB→B→BD→D→DA→…。步距角變?yōu)樵瓉?lái)的二分之一。2.運(yùn)行方式拍和步距角電機(jī)通電方式變換一次，稱為一拍。每一拍轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的角度，稱為步距角。如何使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)？5.2.2工作原理3．步距角每輸入一個(gè)脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角，用符號(hào)表示。步距角為c為通電狀態(tài)系數(shù)，m為電機(jī)相數(shù)，Zr轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。

減小步距角，可提高控制精度。5.2.2工作原理4．轉(zhuǎn)速n

若控制脈沖的頻率為f，即每秒輸入的脈沖數(shù)。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)，與電源電壓、負(fù)載、溫度等因素?zé)o關(guān)。改變脈沖頻率可以改變轉(zhuǎn)速，故可進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速。改變通電順序，可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)向。5.2.2工作原理5.實(shí)用反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)如何減小步距角？增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)，同時(shí)在定子極面上開(kāi)槽，定、轉(zhuǎn)子的齒形要相同。圖5-3四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子齒數(shù)應(yīng)滿足5.2.2工作原理四相單四拍運(yùn)行通電方式為A→C→B→D→…。A相繞組通電，轉(zhuǎn)子齒軸線和定子磁極A上的齒軸線對(duì)齊；斷開(kāi)A相接通C相，在磁阻轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)四分之一齒距角（1.8°），使轉(zhuǎn)子齒軸線和定子磁極C下的齒軸線對(duì)齊；…。圖5-4A相通電時(shí)定、轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)位置

每換接一次繞組，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)1／4齒距角。四步完成一個(gè)循環(huán)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)7.2°

5.2.2工作原理四相八拍運(yùn)行

通電方式為A→AC→C→CB→B→BD→D→DA→…。

A相繞組通電，轉(zhuǎn)子齒軸線和定子磁極A上的齒軸線對(duì)齊；圖5-5A、C兩相通電時(shí)定、轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)位置A、C兩相同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蛑晦D(zhuǎn)過(guò)1/8齒距角（0.9°）；…。每換接一次繞組，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)1／8齒距角。

四相八拍運(yùn)行時(shí)的步距角是四相四拍運(yùn)行時(shí)的一半。四相雙四拍運(yùn)行通電方式為AC→CB→BD→DA→…。步距角與四相單四拍運(yùn)行時(shí)一樣為1/4齒距角，即1.8°。

5.2.2工作原理5.3工作特點(diǎn)1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)受脈沖控制，其轉(zhuǎn)子的角位移量和轉(zhuǎn)速嚴(yán)格地與脈沖的數(shù)量和頻率成正比。改變通電順序可以改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，改變頻率可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。2.若用同一頻率的脈沖電源控制幾臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，它們可以同步運(yùn)行。3.維持步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制繞組的電流不變，電動(dòng)機(jī)便停在某一位置不動(dòng)。即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有自整角的能力，不需要機(jī)械制動(dòng)。4.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角和轉(zhuǎn)速大小不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，也不受環(huán)境（溫度、氣壓、沖擊和振動(dòng)）的影響。5.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有一定的步距精度，沒(méi)有累積誤差。6.缺點(diǎn)：效率低、負(fù)載能力不大、調(diào)速范圍不大，最高輸入頻率一般不超過(guò)18KHZ規(guī)定定子、轉(zhuǎn)子齒軸線重合的位置為靜態(tài)空載情況下的初始穩(wěn)定平衡位置。5.4反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性靜止?fàn)顟B(tài)

當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不改變通電狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子處于不動(dòng)狀態(tài)，稱為靜止?fàn)顟B(tài)。失調(diào)角

當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上外加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按一定方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，平衡時(shí)轉(zhuǎn)子所受的電磁轉(zhuǎn)矩稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子偏離初始穩(wěn)定平衡位置的電角度稱為失調(diào)角。靜態(tài)特性

在靜止?fàn)顟B(tài)下，電磁轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間的函數(shù)關(guān)系，稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性。1.靜態(tài)矩角特性5.4反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T是失調(diào)角的正弦函數(shù)，它的作用總是使轉(zhuǎn)子位置趨向于失調(diào)角為零；在結(jié)構(gòu)一定且磁路不飽和的條件下靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的大小與I2成正比。圖5-6矩角特性應(yīng)當(dāng)注意，最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與控制繞組中電流的平方成正比，其前提條件是磁路不飽和，實(shí)際上當(dāng)電流達(dá)到一定數(shù)值后，磁路開(kāi)始飽和，正比關(guān)系被破壞，隨I增大，增大得越來(lái)越慢。圖5-7最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與控制電流的關(guān)系5.4反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能用起動(dòng)矩頻特性、起動(dòng)慣頻特性和起動(dòng)頻率來(lái)描述。2.起動(dòng)矩頻特性起動(dòng)矩頻特性

在給定驅(qū)動(dòng)電源的條件下，負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一定時(shí)，起動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的函數(shù)關(guān)系，稱作起動(dòng)矩頻特性。圖5-8起動(dòng)矩頻特性轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一定時(shí)，隨著負(fù)載的增加，其起動(dòng)頻率是下降的。5.4反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性3.起動(dòng)慣頻特性起動(dòng)慣頻特性

在給定驅(qū)動(dòng)電源的條件下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，起動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的函數(shù)關(guān)系，稱作起動(dòng)慣頻特性。負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增加，起動(dòng)頻率也是下降的。圖5-9起動(dòng)慣頻特性5.4反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性4.起動(dòng)頻率電機(jī)正常起動(dòng)時(shí)（不丟步、不失步）所能加的最高控制頻率稱為起動(dòng)頻率或突跳頻率。起動(dòng)頻率與負(fù)載大小有關(guān)，因而指標(biāo)分空載起動(dòng)頻率和負(fù)載起動(dòng)頻率。比低得多。例如，70BF03步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，Hz，在0.1176N.m的負(fù)載下起動(dòng)頻率Hz。增大電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩；提高起動(dòng)頻率的措施減小轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；減小步距角。5.4反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性5.4反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在輸入脈沖，轉(zhuǎn)子作連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)行狀態(tài)稱作連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。5.動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行矩頻特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。

運(yùn)行矩頻特性：步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩和連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系。圖5-10運(yùn)行矩頻特性矩頻特性表明，在一定控制脈沖頻率范圍內(nèi)，隨頻率升高，電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速都相應(yīng)地提高，超出該范圍則隨頻率升高轉(zhuǎn)矩下降，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載的能力也逐漸下降，到某一頻率以后，就帶不動(dòng)任何負(fù)載，而且只要受到一個(gè)很小的擾動(dòng)，就會(huì)振蕩、失步以至停轉(zhuǎn)。連續(xù)運(yùn)行頻率與負(fù)載的大小有關(guān)，一般分空載運(yùn)行頻率，和額定負(fù)載運(yùn)行頻率。6.連續(xù)運(yùn)行頻率當(dāng)控制電源的脈沖頻率連續(xù)提高時(shí)，在一定性質(zhì)和大小的負(fù)載下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能正常連續(xù)運(yùn)行時(shí)（不丟步、不失步）所能加到的最高頻率稱為連續(xù)運(yùn)行頻率或最高跟蹤頻率。。例如，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)70BF03，其空載運(yùn)行頻率，Hz額定負(fù)載運(yùn)行頻率為Hz。最高連續(xù)運(yùn)行頻率是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的重要技術(shù)指標(biāo)。5.4反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性5.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的其它類型1.多段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

軸向磁路多段式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖5-11所示。定、轉(zhuǎn)子鐵心均沿電機(jī)軸向按相數(shù)分段，每一組定子鐵心放置一相環(huán)形的控制繞組。定、轉(zhuǎn)子圓周上沖有形狀和數(shù)量相同的小齒。定子鐵心（或轉(zhuǎn)子鐵心）每相鄰兩段錯(cuò)開(kāi)1/m齒距。特點(diǎn)定子空間利用率較好，環(huán)形控制繞組繞制較方便；轉(zhuǎn)子的慣量較低；步距角也可以做得較小，起動(dòng)和運(yùn)行頻率較高。但是在制造時(shí)，鐵心分段和錯(cuò)位工藝較復(fù)雜，精度不易保證。

圖5-11多段式軸向磁路反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1-線圈；2-定子；3-轉(zhuǎn)子；4-引線5.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的其它類型結(jié)構(gòu)

永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子上有兩相或多相繞組，轉(zhuǎn)子為一對(duì)或幾對(duì)極的星形磁鋼，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子每相的極數(shù)相同。2.永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)圖5-12永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理當(dāng)定子繞組按A→B→(-A)→(-B)→…輪流通直流脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)子依次轉(zhuǎn)過(guò)45°，一個(gè)循環(huán)轉(zhuǎn)過(guò)180°，步距角為45°。特點(diǎn)

步距角大；起動(dòng)頻率較低；控制功率??；在斷電情況下有定位轉(zhuǎn)矩；有強(qiáng)的內(nèi)阻尼力矩；要求電源供給正負(fù)脈沖，使電源的變得復(fù)雜。結(jié)構(gòu)兩相感應(yīng)子式永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與單段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相同，1、3、5、7極上的控制繞組串聯(lián)為A相，2、4、6、8極上的控制繞組串聯(lián)為B相。轉(zhuǎn)子是由環(huán)形磁鐵和兩端鐵心組成。兩端轉(zhuǎn)子鐵心上沿外圓周開(kāi)有小齒，兩端鐵心上的小齒彼此錯(cuò)過(guò)1/2齒距。定、轉(zhuǎn)子齒數(shù)的配合與單段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相同。3.感應(yīng)子式永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)圖5-13感應(yīng)子式永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)5.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的其它類型工作原理

轉(zhuǎn)子磁鋼充磁后，A端為N極，B端為S極；A相通電時(shí)，定子1、3、5、7極上的極性為N、S、N、S。定子磁極1和5上的齒在A端則與轉(zhuǎn)子槽對(duì)齊，磁極3和7上的齒與A端上的轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊；B相通電時(shí)，由于B相四個(gè)極（2、4、6、8極）上的齒與轉(zhuǎn)子齒都錯(cuò)開(kāi)1/4齒距，轉(zhuǎn)子前進(jìn)1/4齒距；由于定子同一個(gè)極的兩端極性相同，轉(zhuǎn)子兩端極性相反，但錯(cuò)開(kāi)半個(gè)齒距，所以當(dāng)轉(zhuǎn)子偏離平衡位置時(shí)，兩端作用轉(zhuǎn)矩的方向是一致的。5.5.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的其它類型特點(diǎn)步距角??；起動(dòng)和運(yùn)行頻率高；效率高；具有定位轉(zhuǎn)矩。兼有反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)。但是它需要有正、負(fù)電脈沖供電，并且在制造時(shí)比較復(fù)雜。5.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的其它類型5.6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)1.最大靜轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩是指在規(guī)定的通電相數(shù)下矩角特性上的轉(zhuǎn)矩最大值。通常在技術(shù)數(shù)據(jù)中所規(guī)定的最大靜轉(zhuǎn)矩是指一相繞組通上額定電流時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩值。按最大靜轉(zhuǎn)矩的大小可把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分為伺服步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。伺服步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩較小，有時(shí)需要經(jīng)過(guò)液壓力矩放大器或伺服功率放大系統(tǒng)放大后再去帶動(dòng)負(fù)載。而功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可直接帶動(dòng)負(fù)載，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，傳動(dòng)精度提高。2.步距角

步距角是指輸入一個(gè)電脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度。步距角的大小直接影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率。相同尺寸的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，步距角小的起動(dòng)、運(yùn)行頻率較高。3.靜態(tài)步距角誤差靜態(tài)步距角誤差

是指實(shí)際步距角與理論步距角之間的差值，常用理論步距角的百分?jǐn)?shù)或絕對(duì)值來(lái)表示。