第4章步進電動機

4.1概述

4.2反應式步進電動機的結構和工作原理

4.3反應式步進電動機的靜態(tài)特性

4.4反應式步進電動機的動態(tài)特性

4.5步進電動機的其它類型及主要性能指標

4.6步進電動機的驅動電源14.1概述步進電動機將輸入的脈沖電信號變換為階躍的角位移或直線位移。給一個脈沖信號，電動機前進一步，因此稱為步進電動機。（1）控制系統(tǒng)對步進電動機的基本要求在電脈沖的控制下，步進電動機能迅速起動、正反轉、制動和停車，調速范圍寬廣；步進電動機的步距角要小，步距精度要高，不丟步不越步；工作頻率高，響應速度快。（2）步進電動機的分類按其工作方式不同，可分為功率步進電動機和伺服步進電動機兩類。按勵磁方式的不同，步進電動機可分為反應式、永磁式和感應子式

三類。24.2反應式步進電動機的結構和工作原理4.2.1結構4.2.2工作原理4.2.3基本特點34.2.1結構定子鐵心定子鐵心為凸極結構，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4-1四相反應式步進電動機的結構定子繞組定子每極上套有一個集中繞組，相對兩極的繞組串聯(lián)構成一相。步進電動機可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。轉子轉子上只有齒槽沒有繞組，系統(tǒng)工作要求不同，轉子齒數(shù)也不同。定轉子齒形相同。4.2反應式步進電動機的結構和工作原理4如圖轉子上共有50個齒，齒距角定子極距為個齒。3.實用反應式步進電動機如何減小步距角？增加轉子齒數(shù)，同時在定子極面上開槽，定、轉子的齒形要相同。圖4-1四相反應式步進電動機的結構轉子齒數(shù)應滿足4.2.2工作原理54.2.2工作原理1.工作原理以四相反應式步進電動機為例。定子有八個極，相對兩極的繞組串聯(lián)成一相，構成四相；轉子六個齒，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4-2四相單四拍運行A相繞組通電時，在磁阻轉矩作用下，轉子齒1和4的軸線與定子A極軸線對齊；斷開A相接通C相，轉子齒3和6的軸線與C極軸線對齊，轉子逆時針方向轉過15°；斷開C相接通B相，轉子又轉過15°；斷開B相接通D相，轉子再轉過15°；…。經過ACBDA一個通電循環(huán)轉子轉過60°，為一個齒距角。6四相單四拍A→C→B→D…四相雙四拍AC→CB→BD→DA…四相單八拍

A→AC→C→CB→B→BD→D→DA…7

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（圖）每次同時接通兩相繞組，如AC→CB→BD→DA→…，也是四拍一個循環(huán)，則稱為四相雙四拍。雙拍運行與單拍運行時步距角相同，產生的轉矩一般會增加。

四相八拍A→AC→C→CB→B→BD→D→DA→…。步距角變?yōu)樵瓉淼亩种弧?.運行方式

拍和步距角電機通電方式變換一次，稱為一拍。每一拍轉子所轉過的角度，稱為步距角。如何使步進電動機反轉？4.2.2工作原理（圖）（圖）8

四相單四拍運行通電方式為A→C→B→D→…。A相繞組通電，轉子齒軸線和定子磁極A上的齒軸線對齊；斷開A相接通C相，在磁阻轉矩作用下，轉子順時針方向轉過四分之一齒距角（1.8°），使轉子齒軸線和定子磁極C下的齒軸線對齊；…。圖4-4A相通電時定、轉子齒的相對位置每換接一次繞組，轉子就轉過1／4齒距角。四步完成一個循環(huán)，轉子轉過7.2°4.2.2工作原理9

四相八拍運行

通電方式為A→AC→C→CB→B→BD→D→DA→…。A相繞組通電，轉子齒軸線和定子磁極A上的齒軸線對齊；圖4-5A、C兩相通電時定、轉子齒的相對位置A、C兩相同時通電時，轉子順時針方向只轉過1/8齒距角（0.9°）；…。每換接一次繞組，轉子就轉過1／8齒距角。四相八拍運行時的步距角是四相四拍時的一半。

四相雙四拍運行通電方式為AC→CB→BD→DA→…。步距角與四相單四拍運行時一樣為1/4齒距角，即1.8°。4.2.2工作原理104.2.3基本特點1．每相脈沖頻率

步進電機的系統(tǒng)框圖脈沖電源→環(huán)形分配器→放大器→步進電動機

圖4-6脈沖控制方框圖

“環(huán)形分配器”按給定規(guī)律分配輸入脈沖。對于三相步進電動機，

環(huán)形分配器是一路輸入，三路輸出。

三相單三拍運行時，第一個電脈沖分給A相；第二個電脈沖分給B

相；第三個電脈沖分給C相，完成一個循環(huán)。11每相脈沖頻率每循環(huán)一次，控制電脈沖的個數(shù)總等于拍數(shù)N，而加在每相繞組上的脈沖電壓的個數(shù)卻等于1。若控制電脈沖頻率為，每相脈沖頻率用表示，則

三相雙三拍運行時各相驅動信號波形圖。圖4-7三相雙三拍驅動信號波形圖每個循環(huán)包含的通電狀態(tài)數(shù)稱為“拍數(shù)”。拍數(shù)可等于相數(shù)或相數(shù)的二倍。4.2.3基本特點正向旋轉反向旋轉三相單三拍ABC三相雙三拍ABBCCA三相六拍AABBBCCCA12三相單三拍ABC三相雙三拍ABBCCA13123123三相六拍AABBBCCCA14123456在一個齒距內磁場變化一個周期，用電角度表示時，一個齒距就對應360°電角度（或電弧度)。用電角度（或電弧度）表示的齒距角為。N為運行拍數(shù)，，m為電機相數(shù)。2．步距角每輸入一個脈沖電信號轉子轉過的角度稱為步距角，用符號表示。步距角為（機械角度）步距角與拍數(shù)N及轉子齒數(shù)Zr有關。減小步距角，可提高控制精度。用電角度表示時，步距角為（電角度）（電弧度）或4.2.3基本特點與轉子齒數(shù)無關。153．轉速n輸入一個脈沖，轉子轉過整個圓周角的，即轉過轉。所以轉速為

f為控制脈沖的頻率，即每秒輸入的脈沖數(shù)。反應式步進電動機的轉速取決于脈沖頻率、轉子齒數(shù)和拍數(shù)，與電源電壓、負載、溫度等因素無關。改變脈沖頻率可以改變轉速，故可進行無級調速。步進電動機的轉速還可用步距角表示改變通電順序，可以控制電機轉向。4.2.3基本特點60f—每分鐘的脈沖數(shù)ZrN—轉子轉一轉所需步數(shù)164.步進電動機具有自鎖能力當控制電脈沖停止輸入，而讓最后一個脈沖控制的繞組繼續(xù)通入直流電時，則電機轉子可以保持在固定的位置上，即停在最后一個脈沖控制的角位移的終點位置上。這樣，步進電動機可以實現(xiàn)停轉時轉子定位。4.2.3基本特點174.3反應式步進電動機的靜態(tài)特性4.3.1靜態(tài)轉矩T4.3.2矩角特性4.3.3靜穩(wěn)定區(qū)18規(guī)定定子、轉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，而轉子偏離初始穩(wěn)定平衡位置的電角度稱為失調角。4.3反應式步進電動機的靜態(tài)特性

靜止狀態(tài)

步進電動機一相或幾相通入恒定不變的直流電流，這時轉子將固定于某一位置上保持不動，稱為靜止狀態(tài)。

失調角

圖4-9初始平衡位置與失調角19在靜止狀態(tài)下，電磁轉矩與失調角之間的函數(shù)關系，稱為步進電動機的矩角特性。

靜態(tài)特性

單相通電時，通電相極下所有齒都產生轉矩，由于同一相極下所有定子齒和轉子齒相對應的位置都相同，因而電機總轉矩為通電相極下各定子齒所產生轉矩之和。4.3.1靜態(tài)轉矩TA相通電時，有在dt時間內輸入的電能為4.3反應式步進電動機的靜態(tài)特性20式中第一部分為電阻損耗；第二部分為磁場儲能的增量，是電機對外做功的能源。電磁轉矩T驅使轉子轉過偏轉角時，步進電動機對外輸出的機械能，從能量平衡關系即靜態(tài)轉矩為在線性系統(tǒng)中若控制繞組中的電流I為常數(shù)，每相控制繞組是兩個極上繞組串接而成，且每極繞組的匝數(shù)為N，則4.3.1靜態(tài)轉矩21

為每極控制繞組的磁動勢；為轉子齒數(shù)；為氣隙磁導對失調角的變化率。氣隙磁導可表示為

為氣隙比磁導；為定子每極下的小齒數(shù)；為鐵心長度。

圖4-10氣隙比磁導定義圖4.3.1靜態(tài)轉矩22氣隙比磁導的大小和齒的形狀、齒寬與齒距之比、氣隙與齒距之比及齒部的飽和度有關，且是失調角的周期性函數(shù)，其周期為齒距。用傅氏級數(shù)表示為忽略高次諧波影響影響時，氣隙比磁導為由此可得靜態(tài)轉矩T是失調角的正弦函數(shù)，它的作用總是使轉子位置趨向于失調角為零；在結構一定且磁路不飽和的條件下靜態(tài)轉矩的大小與I2成正比。4.3.1靜態(tài)轉矩23

為最大靜轉矩。最大靜轉矩直接影響步進電動機的負載的能力和性能，是重要的性能指標之一。4.3.2矩角特性矩角特性是控制繞組通電狀態(tài)不變時，電磁轉矩與轉子偏轉角的關系，即靜態(tài)轉矩與失調角的關系。1.單相控制的矩角特性圖4-11單相控制的矩角特性242.多相通電時的矩角特性一般來說，多相通電時的矩角特性以及最大靜態(tài)轉矩與單相通電時不同。多相通電時的矩角特性可近似地由每相各自通電時的矩角特性疊加起來求出。三相步進電動機當兩相通電時（如A、B兩相）的矩角特性圖4-12A相、B相定子齒相對轉子齒的位置設A通電時，距角特性為則B通電時，距角特性為4.3.2矩角特性25當A、B兩相同時通電時合成矩角特性應為

（a）矩角特性（b）轉矩矢量圖

圖4-13三相步進電動機單相、兩相通電時的轉矩它是一條幅值不變、相移60°的正弦曲線。4.3.2矩角特性26五相步進電機的單相、二相、三相通電時矩角特性圖4-l4五相步進電動機單相、二相、三相通電時的矩角特性

圖4-15五相步進電動機轉矩矢量圖二相和三相通電時矩角特性相對A相矩角特性分別移動了36°和72°，靜態(tài)轉矩最大值兩者相等。因此，五相步進電動機可采用二相～三相運行方式。4.3.2矩角特性27m相電機，n相同時通電時的矩角特性n相同時通電時

為單拍制運行方式時的步距角；4.3.2矩角特性28例如五相步進電動機兩相通電時轉矩最大值為三相通電時轉矩最大值為應當注意，最大靜態(tài)轉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，實際上當電流達到一定數(shù)值后，磁路開始飽和，正比關系被破壞，隨I增大，增大得越來越慢。圖4-l6最大靜態(tài)轉矩與控制電流的關系4.3.2矩角特性29不穩(wěn)定平衡點在，雖然也有，但或后，靜態(tài)轉矩與的方向一致，驅使轉子背離穩(wěn)定平衡點，故的位置稱為不穩(wěn)定平衡點。

穩(wěn)定平衡點

當時，，該位置稱為穩(wěn)定平衡點。

靜穩(wěn)定區(qū)在區(qū)間內，與方向相反，總是阻止變化，若由于外力矩使轉子偏離穩(wěn)定平衡點，只要在上述范圍內，一旦去掉外力，轉子就能在靜態(tài)轉矩的作用下返回到穩(wěn)定平衡點。區(qū)間稱為靜穩(wěn)定區(qū)。

4.3.3靜穩(wěn)定區(qū)304.4反應式步進電動機的動態(tài)特性4.4.1步進運行狀態(tài)時的動態(tài)特性4.4.2連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性4.4.3步進電動機的起動特性314.4反應式步進電動機的動態(tài)特性動態(tài)特性是指脈沖電壓按一定的分配方式加到各控制繞組上，步進電動機所具有的特性。脈沖頻率不同，步進電動機的運行性能也不同。分為三個區(qū)段分析：脈沖頻率極低的步進運行高頻率脈沖的連續(xù)運行介于上述兩段脈沖頻率之間的運行324.4.1步進運行狀態(tài)時的動態(tài)特性1.動穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定裕度2.最大負載能力（起動轉矩）3.轉子的自由振蕩過程33當步進電動機處于矩角特性曲線“n”所對應的穩(wěn)定狀態(tài)時，輸入一個脈沖，使其控制繞組改變通電狀態(tài)，矩角特性向前躍移一個步距角，穩(wěn)定平衡點也由0變?yōu)?，相對應的靜穩(wěn)定區(qū)為。在改變通電狀態(tài)時，只有當轉子起始位置在此區(qū)間，才能使它向點運動，達到該穩(wěn)定平衡位置。因此把區(qū)域稱為動穩(wěn)定區(qū)。1.動穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定裕度動穩(wěn)定區(qū)是指步進電動機從一種通電狀態(tài)切換到另一種通電狀態(tài)，不至引起失步的區(qū)域。4.4.1步進運行狀態(tài)時的動態(tài)特性控制電脈沖的間隔時間大于步進電動機過渡過程所需的時間，稱為步進運行狀態(tài)。34穩(wěn)定裕度把矩角特性曲線“n”的穩(wěn)定平衡點0離開曲線(n+1)的不穩(wěn)定平衡點的距離，稱為“穩(wěn)定裕度”。穩(wěn)定裕度為為單拍制運行時的步距角?？梢姡磻讲竭M電動機的相數(shù)必須大于2。4.4.1步進運行狀態(tài)時的動態(tài)特性352.最大負載能力（起動轉矩）步進電動機在步進運行時所能帶動的最大負載，可由相鄰兩條矩角特性交點所對應的電磁轉矩來確定。圖4-18最大負載能力的確定情況1：負載轉矩時，A相通電時，轉子處于a點；改由B相通電時，轉子穩(wěn)定后位于b點，前進一步。情況2：負載轉矩時，A相通電時，轉子處于a”點；改由B相通電時，轉子不能前進。若矩角特性為幅值相同的正弦波，則只有拍數(shù)N>2時，起動轉矩大于零。

4.4.1步進運行狀態(tài)時的動態(tài)特性36自由振蕩過程繞組由A相通電到B相通電后，轉子在電磁轉矩作用下，轉子位置由O(a)bcabc3.轉子的自由振蕩過程（分析空載）步進電動機在步進運行狀態(tài)，轉子是經過一個振蕩過程后才穩(wěn)定在平衡位置的。

（a）示意圖（b）振蕩曲線圖4-19無阻尼時轉子的自由振蕩A相通電，轉子處于失調角的位置，對應于原點O；換接到B相通電，穩(wěn)定后轉子在的b點。4.4.1步進運行狀態(tài)時的動態(tài)特性37自由振蕩角頻率與振蕩的幅值有關。當拍數(shù)很多、步距角很小時，振蕩的振幅就很小,這時振蕩的角頻率稱為固有振蕩角頻率，用表示，理論上可以證明固有振蕩角頻率為圖4-20與振蕩的幅值的關系自由振蕩的幅值、頻率和周期自由振蕩的幅值為步距角。若振蕩角頻率用表示，相應的振蕩頻率和周期為隨著拍數(shù)減少，步距角增大，自由振蕩的振幅也增大，自由振蕩頻率就降低。比值與振蕩的幅值（即步距角）的關系如圖4-20所示。

4.4.1步進運行狀態(tài)時的動態(tài)特性38衰減振蕩由于軸上的摩擦，風阻及內部電阻尼等存在，單步運動時轉子環(huán)繞平衡位置的振蕩過程總是衰減的。阻尼作用越大，衰減得越快，最后仍穩(wěn)定于平衡位置附近。必須指出，單步運行時所產生的振蕩現(xiàn)象對步進電動機的運行是很不利的，它影響了系統(tǒng)的精度，帶來了振動及噪音。嚴重時甚至使轉子丟步。為了使轉子振蕩衰減得快，在步進電動機中往往專門設置了特殊的阻尼器。圖4-21阻尼時轉子的衰減振蕩4.4.1步進運行狀態(tài)時的動態(tài)特性394.4.2連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性1.動態(tài)轉矩2.運行矩頻特性3.最高連續(xù)運行頻率4.低頻共振和低頻丟步現(xiàn)象5.高頻振蕩40

在分析靜態(tài)矩角特性時得最大靜轉矩，在分析步進運行時又得到最大負載能力。

4.4.2連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性當步進電動機在輸入脈沖頻率f較高，其周期比轉子振蕩過渡過程時間還短時，轉子作連續(xù)的旋轉運動，這種運行狀態(tài)稱作連續(xù)運行狀態(tài)。1.動態(tài)轉矩步進電動機在連續(xù)運行狀態(tài)所產生的電磁轉矩稱為動態(tài)轉矩。

當控制脈沖頻率達到一定數(shù)值之后，頻率再升高，由于定子繞組電感的影響，繞組電流的波形由低頻時的近似矩形波變?yōu)楦哳l時的近似三角波，其幅值和平均值都較小，使動態(tài)轉矩大大下降，負載能力降低。不同控制頻率時的電流波形此外，控制脈沖頻率升高時，鐵心中渦流增加，使動態(tài)轉矩下降。412.運行矩頻特性當控制脈沖頻率達到一定數(shù)值之后，再增加頻率，由于電感和渦流作用使動態(tài)轉矩減小。可見，動態(tài)轉矩是電源脈沖頻率的函數(shù)，把這種函數(shù)關系稱為步進電動機運行時的轉矩-頻率特性，簡稱為運行矩頻特性。矩頻特性表明，在一定控制脈沖頻率范圍內，隨頻率升高，電機的功率和轉速都相應地提高，超出該范圍則隨頻率升高轉矩下降，步進電動機帶負載的能力也逐漸下降，達到某一頻率以后，就帶不動任何負載，而且只要受到一個很小的擾動，就會振蕩、失步以至停轉。圖4-22運行矩頻特性4.4.2連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性42

。例如，步進電動機70BF03，其空載運行頻率，Hz額定負載運行頻率為Hz。最高連續(xù)運行頻率是步進電動機的重要技術指標。最高連續(xù)運行頻率與負載的大小有關，一般分空載運行頻率和額定負載運行頻率。3.最高連續(xù)運行頻率當控制電源的脈沖頻率連續(xù)提高時，在一定性質和大小的負載下，步進電動機能正常連續(xù)運行時（不丟步、不失步）所能加到的最高頻率稱為最高連續(xù)運行頻率或最高跟蹤頻率。4.4.2連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性434.低頻共振和低頻丟步現(xiàn)象低頻丟步現(xiàn)象是指步進電動機在低頻運行時，轉子運動步數(shù)少于給定脈沖數(shù)的現(xiàn)象。是否丟步與下一脈沖到來時轉子的位置有關。不同脈沖頻率時轉子的位置如圖4-23所示。圖4-23不同脈沖周期的轉子位置4.4.2連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性44低頻丟步的物理過程

以三相步進電動機為例。正常情況

Aa0Bb0Cc0丟步情況Aa0經BCA三個脈沖后轉子仍在a0點，丟3步。圖4-24步進電動機的低頻丟步如果阻尼作用比較強，那么電機振蕩衰減得比較快，轉子振蕩回擺的幅值就比較小，轉子對應于R點的位置如果處在動穩(wěn)定區(qū)之內，電磁轉矩就是正的，電機就不會丟步。另外拍數(shù)越多，步距角越小，動穩(wěn)定區(qū)接近靜穩(wěn)定區(qū)，這樣也可以消除低頻失步。4.4.2連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性45低頻共振現(xiàn)象當控制脈沖頻率等于轉子振蕩頻率的1／K倍時，如果阻尼作用不強，即使電機不發(fā)生低頻失步，也會產生強烈振動，這就是步進電機低頻共振現(xiàn)象。圖4-25表示K=2時轉子的轉子運動規(guī)律，可見具有明顯的振蕩特性。共振時，電機就會出現(xiàn)強烈振動，甚至失步而無法工作，所以一般不容許電機在共振頻率下運行。如果采用較多拍數(shù)，再加上一定的阻尼和干摩擦負載，電機振動的振幅可以減小，并能穩(wěn)定運行。圖4-25低頻共振時的轉子運動規(guī)律4.4.2連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性465.高頻振蕩高頻振蕩是指脈沖電壓的頻率達到相當高時，電機出現(xiàn)明顯的振蕩現(xiàn)象。如果脈沖頻率快速越過這一頻段達到更高值時，電動機仍能繼續(xù)穩(wěn)定運行。高頻振蕩的原因是由于步進電動機定、轉子上有齒槽存在，轉子旋轉過程中在控制繞組中感應一個交變電動勢和交流電流，產生一個對轉子運動起制動作用的電磁轉矩。該轉矩將隨著轉速的上升而下降，即具有負阻尼性質，因而使轉子的運動有產生自發(fā)振蕩的性質。在嚴重的情況下，電動機要失步甚至停轉。步進電動機鐵心表面的附加損耗和轉子對空氣的摩擦損耗等形成阻尼轉矩，它隨著轉速的升高而增大，若與電磁阻尼轉矩配合恰當，則電機總的內阻尼轉矩特性可能不出現(xiàn)負阻尼區(qū)，高頻振蕩現(xiàn)象也就不會出現(xiàn)。4.4.2連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性474.4.3步進電動機的起動特性1.起動矩頻特性2.起動慣頻特性3.起動頻率48步進電動機的起動性能用起動矩頻特性、起動慣頻特性和起動頻率來描述。1.起動矩頻特性起動矩頻特性在給定驅動電源的條件下，負載轉動慣量一定時，起動頻率與負載轉矩的函數(shù)關系，稱作起動矩頻特性。

圖4-26起動矩頻特性轉動慣量一定時，隨著負載的增加，其起動頻率是下降的。4.4.3步進電動機的起動特性492.起動慣頻特性起動慣頻特性在給定驅動電源的條件下，負載轉矩不變時，起動頻率與負載轉動慣量的函數(shù)關系，稱作起動慣頻特性。負載轉矩不變時，隨著轉動慣量的增加，起動頻率也是下降的。圖4-27起動慣頻特性4.4.3步進電動機的起動特性503.起動頻率電機正常起動時（不丟步、不失步）所能加的最高控制頻率稱為起動頻率或突跳頻率。起動頻率與負載大小有關，因而指標分空載起動頻率和負載起動頻率。比低得多。例如，70BF03步進電動機，Hz，在0.1176N.m的負載下起動頻率Hz。增大電動機的動態(tài)轉矩；提高起動頻率的措施減小轉動部分的轉動慣量；增加拍數(shù)，減小步距角。4.4.3步進電動機的起動特性51復習矩角特性：一相通電時的矩角特性；多相通電時的矩角特性。負載能力靜穩(wěn)定區(qū)；動穩(wěn)定區(qū)；穩(wěn)定裕度。動態(tài)轉矩運行矩頻特性最高連續(xù)運行頻率低頻振蕩丟步現(xiàn)象起動矩頻特性起動慣頻特性起動頻率524.5步進電動機的其它類型及主要性能指標4.5.1步進電動機的其它類型4.5.2步進電動機的主要性能指標534.5.1步進電動機的其它類型1.多段反應式步進電動機2.永磁式步進電動機3.混合式步進電動機4.直線和平面式步進電動機541.多段反應式步進電動機結構軸向磁路多段式步進電動機的結構如圖4-28所示。定、轉子鐵心均沿電機軸向按相數(shù)分段，每一組定子鐵心放置一相環(huán)形的控制繞組。定、轉子圓周上沖有形狀和數(shù)量相同的小齒。定子鐵心（或轉子鐵心）相鄰兩段錯開1/m齒距。特點定子空間利用率較好，環(huán)形控制繞組繞制較方便；轉子的慣量較低；步距角也可以做得較小，起動和運行頻率較高。但是在制造時，鐵心分段和錯位工藝較復雜，精度不易保證。

圖4-28多段式軸向磁路反應式步進電動機

1-線圈；2-定子；3-轉子；4-引線4.5.1步進電動機的其它類型554.5.1步進電動機的其它類型結構永磁式步進電動機定子上有兩相或多相繞組，轉子為一對或幾對極的星形磁鋼，轉子的極數(shù)與定子每相的極數(shù)相同。2.永磁式步進電動機圖4-29永磁式步進電動機工作原理當定子繞組按A→B→(-A)→(-B)→…輪流通直流脈沖時，轉子依次轉過45°，一個循環(huán)轉過180°，步距角為45°。特點控制功率小；在斷電情況下有定位轉矩；有強的內阻尼力矩。步距角大；起動頻率較低；要求電源供給正負脈沖，使電源的變得復雜。56結構兩相感應子式永磁步進電動機的定子結構與單段反應式步進電動機相同，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。轉子是由環(huán)形磁鐵和兩端鐵心組成。兩端轉子鐵心上沿外圓周開有小齒，兩端鐵心上的小齒彼此錯過1/2齒距。定、轉子齒數(shù)的配合與單段反應式步進電動機相同。3.混合式步進電動機圖4-30感應子式永磁步進電動機4.5.1步進電動機的其它類型57工作原理（圖4-30）轉子磁鋼充磁后，A端為N極，B端為S極；

A相通電時，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端則與轉子槽對齊，磁極3和7上的齒與A端上的轉子齒對齊；B相通電時，由于B相四個極（2、4、6、8極）上的齒與轉子齒都錯開1/4齒距，轉子前進1/4齒距；由于定子同一個極的兩端極性相同，轉子兩端極性相反，但錯開半個齒距，所以當轉子偏離平衡位置時，兩端作用轉矩的方向是一致的。4.5.1步進電動機的其它類型58或（電角度）當定子各相繞組按順序通以直流脈沖時，其步距角為（機械角）特點步距角??；起動和運行頻率高；效率高；具有定位轉矩。兼有反應式和永磁式步進電動機兩者的優(yōu)點。但是它需要有正、負電脈沖供電，并且在制造時比較復雜。4.5.1步進電動機的其它類型59

圖4-31直線步進電動機1-永久磁鐵；2-形極片；3-控制繞組4.直線和平面式步進電動機在控制脈沖作用下，直線步進電動機做直線運動，平面步進電動機做平面運動。直線步進電動機動子：形極片；永久磁鐵；控制繞組。定子：軟磁材料開槽，齒距為t。位置關系：a和c間為1.5t

a和a’間為kt

a和d間為（k‘+1/4）t

4.5.1步進電動機的其它類型60A相正向通電

中磁通加強，中磁通削弱轉子位置如圖a）；B相正向通電中磁通加強，中磁通削弱轉子位置如圖b）；A相反向通電中磁通加強，中磁通削弱轉子位置如圖c）；B相反向通電中磁通加強，中磁通削弱轉子位置如圖d）；

圖4-31直線步進電動機1-永久磁鐵；2-形極片；3-控制繞組要使動子向左移動，將上述四個階段的通電順序倒過來即可。4.5.1步進電動機的其它類型61平面步進電動機平面式步進電動機可看作是兩個直線步進電動機的組合。定子為一塊平板，其上開有X軸和Y軸方向的齒槽。定子齒排成方格形，槽中注入環(huán)氧樹脂；動子由兩臺上述這樣的直線步進電動機組成。它們分別保證動子沿互相垂直的X軸和Y軸移動。這樣，只要設計適當?shù)目刂瞥绦?，借以產生一定的脈沖信號，就可以使動子在XY平面上作任意幾何軌跡的運動，并定位在平面上任何一點。圖4-32平面步進電動機1-平臺；2-磁鋼；3-磁極平面步進電動機采用氣墊裝置，將動子支承起來，使動子移動時，不與定子直接接觸，因而無摩擦，且慣性小、噪音低、可快速移動。4.5.1步進電動機的其它類型621.最大靜轉矩2.步距角3.靜態(tài)步距角誤差4.起動頻率和起動頻率特性5.運行頻率和運行矩頻特性4.5.2步進電動機的主要性能指標634.5.2步進電動機的主要性能指標1.最大靜轉矩

最大靜轉矩是指在規(guī)定的通電相數(shù)下矩角特性上的轉矩最大值。通常在技術數(shù)據中所規(guī)定的最大靜轉矩是指一相繞組通上額定電流時的最大轉矩值。按最大靜轉矩的大小可把步進電動機分為伺服步進電動機和功率步進電動機。伺服步進電動機的輸出轉矩較小，有時需要經過液壓力矩放大器或伺服功率放大系統(tǒng)放大后再去帶動負載。而功率步進電動機可直接帶動負載，使系統(tǒng)簡化，傳動精度提高。2.步距角步距角是指輸入一個電脈沖轉子轉過的角度。步距角的大小直接影響步進電動機的起動頻率和運行頻率。相同尺寸的步進電動機，步距角越小的起動、運行頻率越高。643.靜態(tài)步距角誤差靜態(tài)步距角誤差是指實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數(shù)或絕對值來表示。4.起動頻率和起動頻率特性起動頻率是指步進電動機能夠不失步起動的最高脈沖頻率。技術數(shù)據中給出空載起動頻率和負載起動頻率。實際使用時，大多是在負載情況下起動，所以又給出起動的矩頻特性，以便確定負載起動頻率。5.運行頻率和運行矩頻特性運行頻率是指步進電動機起動后，控制脈沖頻率連續(xù)上升而不失步的最高頻率。通常在技術數(shù)據中也給出空載運行頻率和負載運行頻率，運行頻率的高低與負載阻轉矩的大小有關，所以又給出了運行矩頻特性。4.5.2步進電動機的主要性能指標654.6步進電動機的驅動電源1.驅動控制器概述2.功率驅動電路3.步進電動機驅動電源實例664.6.1驅動控制器概述步進電動機及其驅動電源是一個相互聯(lián)系的整體。步進電動機的運行性能是由電動機和驅動電源兩者配合所反映出來的綜合效果。1、驅動控制器的組成步進電動機的驅動控制器組成如圖4-33所示，主要包括變頻信號源、脈沖分配器和功率放大器三個部分。變頻信號源就是一個脈沖發(fā)生器，通過指令信號可控制變頻信號源的脈沖頻率從幾赫茲到幾十千赫茲變化，脈沖分配器則按照步進電機的相應工作方式將脈沖信號分配給相應繞組，再通過功率放大器為繞組通入電流脈沖，從而驅動步進電機運行。圖4-33步進電動機驅動電源方框圖67684.6.1驅動控制器概述對驅動控制器的要求

步進電機驅動控制器無論工作在何種方式，都必須滿足以下要求：(1)驅動控制器的相數(shù)、電壓、電流和通電方式都要滿足步進電動

機的要求。(2)驅動控制器的頻率要滿足步進電動機起動頻率和連續(xù)運行頻率

的要求。(3)能最大限度地抑制步進電動機的振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。(4)工作可靠，抗干擾能力強。(5)成本低，效率高，安裝和維護方便。694.6.1驅動控制器概述3.驅動控制系統(tǒng)的分類(1)步進電動機簡單的控制過程可以通過各種邏輯電路來實現(xiàn)。

線路較復雜，成本高，很難改變控制方案，缺少靈活性。(2)步進電動機直接接受數(shù)字量輸入，采用計算機控制。其成本

低，可實現(xiàn)復雜控制過程，靈活性高，便于控制功能的升級

和擴充。(3)步進電動機的驅動控制系統(tǒng)采用專用集成電路來構成。該控

制系統(tǒng)具有結構簡單、性價比高的優(yōu)點，在系列化產品中應

該優(yōu)先采用這種方式。704.6.2功率驅動電路步進電動機的功率驅動電路有多種型式，按脈沖的驅動方式分為：單一電壓型驅動電路；高、低壓切換型驅動電路；斬波恒流驅動電路；雙極性驅動電路；細分驅動電路等。1.單一電壓型驅動電路由于步進電動機繞組電感具有延緩電流變化的作用，使步進電動機高頻運行時的動態(tài)轉矩減小，動態(tài)特性變壞。因此在圖4-34的繞組電路中串入電阻Rf1，使繞組時間常數(shù)減小，增大動態(tài)轉矩，提高起動和連續(xù)運行頻率，并使起動和運行矩頻特性下降緩慢。但為了達到同樣的穩(wěn)態(tài)電流值，電源電壓也要作相應的提高。圖4-34單一電壓型驅動電路714.6.2功率驅動電路圖中并聯(lián)于Rf1的電容C可強迫控制電流加快上升，使電流波形前沿更陡，改善波形。因電容兩端電壓不能突變，在控制繞組通電瞬間將Rf1短路，電源電壓可全部加在控制繞組上。功率管T1由導通突然變?yōu)殛P斷狀態(tài)時，并聯(lián)二極管D1和電阻Rf2，形成放電回路，限制功率管T1上的電壓，保護功率管。單一電壓型電路特點：線路簡單，功放元件少，成本低。由于電阻Rf1上要消耗功率，引起發(fā)熱和效率降低，這種電源只適用于驅動小功率步進電動機或性能指標要求不高的場合。724.6.2功率驅動電路2.高、低壓切換型驅動電路圖4-35高、低壓切換型驅動電路高、低壓切換型驅動電路，其電路原理如圖4-35所示。當輸入控制脈沖信號時，功率管T1、T2導通，低壓電源由于二極管D1承受反向電壓處于截止狀態(tài)不起作用，高壓電源加在控制繞組上，控制繞組中的電流迅速升高，使電流波形前沿變陡。當電流上升到額定值或比額定值稍高時，利用定時電路或電流檢測電路，使功率管T1關斷，T2仍然導通，二極管D1由截止變?yōu)閷?，控制繞組由低壓電源供電，維持其額定穩(wěn)態(tài)電流。73當輸入信號為零時，功率管T2截止，控制繞組中的電流通過二極管D2續(xù)流，向高壓電源放電，繞組中的電流迅速減小。電阻Rf1的阻值很小，目的是為了調節(jié)控制繞組中的電流，使各相電流平衡。這種電路效率較高，起動和運行頻率也比單一電壓型電路要高。4.6.2功率驅動電路3、斬波恒流驅動電路步進電動機在運行中，經常會出現(xiàn)控制繞組中電流波頂下凹，如圖4-36所示。原因：繞組感應電動勢、相間互感等因素。會引起電機轉矩下降，動態(tài)性能變差、電機失步。為了消除這種現(xiàn)象，通常采用斬波恒流驅動電路。圖4-36電流波頂下凹現(xiàn)象744.6.2功率驅動電路圖4-37斬波恒流驅動電路原理圖圖4-37為步進電動機斬波恒流驅動電路原理圖，圖中繞組電流的通斷由開關管VT1、VT2共同控制，VT2的發(fā)射極接一個采樣電阻R，該電阻上的電壓降與繞組電流大小成正比，電壓u1控制該相繞組是否通電流，u2為相電流大小的設定值。當控制脈沖u1為高電平時，開關管VT1和VT2均導通，直流電源Us向該相繞組供電，產生電流i。由于繞組電感的影響，采樣電阻R上的電壓逐漸升高，當超過給定電壓u2時，比較器輸出低電平，使其后面的與門輸出Ub1變?yōu)榈碗娖?，VT1截止，直流電源被切斷，繞組電流i經VT2、R、VD2續(xù)流衰減，采樣電阻R上的電壓隨之下降。754.6.2功率驅動電路當采樣電阻R上的電壓小于給定電壓u2時，比較器輸出高電平，其后的與門也輸出Ub1變?yōu)楦唠娖?，VT1重新導通，直流電源又開始向繞組供電。如此循環(huán)，相繞組電流就穩(wěn)定在由給定電壓u2所決定的電流i上。其電壓、電流波形如圖4-38所示。圖4-38斬波恒流控制中電壓、電流波形斬波恒流驅動方式使步進電動機運行性能得到了顯著的提高，相應使起動和運行頻率升高。但因在線路中增加了電流反饋環(huán)節(jié)，使其結構較為復雜，成本提高。它是屬于電流閉環(huán)控制類型。764.6.2功率驅動電路4、雙極性驅動電路永磁式和混合式步進電機工作時要求定子磁極的極性交變，通常要求其繞組由雙極性電路驅動，即繞組電流能正、反向流動。a）正、負雙極性電源b）單極性電源圖4-39雙極性驅動電路如果系統(tǒng)能夠提供正負雙極性電源，則雙極性驅動電路將相當簡單，如圖4-39（a）所示。系統(tǒng)只有單極性電源，這時需要采用如圖4-39（b）所示的全橋驅動電路。774.6.2功率驅動電路5、細分驅動電路細分驅動控制又稱為微步距控制，是步進電機開環(huán)控制的新技術之一。其原理就是把原來的一個步距角再分為若干步完成，使步進電動機的轉動近似為勻速運動，并能在任何位置停步。為達到這一要求，可將圖4-40階梯電流波形在輸入電流的每個臺階，電機轉動一小步，電流的臺階數(shù)越多，電機的步距角越小，從而使步距角成倍的減小，步數(shù)成倍的增加?？梢姡杭毞烛寗涌墒共竭M電機運行平穩(wěn)性提高，低頻特性得到改善，負載能力也有所增加。繞組的矩形波脈沖電流改為階梯波電流，如圖4-40所示。784.6.2功率驅動電路以兩相四拍運行的混合式步進電機為例，采用4細分驅動運行時，步進電機A、B相繞組電流變化波形如圖4-41所示，繞組電流由原來的整步開通關斷變?yōu)?階梯波過渡的開通關斷方式，因此，在某些時刻兩相繞組均有電流通過。圖4-41兩相混合式步進電機4細分電流波形794.6.2功率驅動電路圖4-42繞組磁動勢合成矢量變化圖步進電機的實際步距角降低為原來的1/4，實現(xiàn)了步進電機的4細分驅動。在細分驅動過程中，產生了多個對應的合成磁動勢矢量，這些合成磁動勢矢量與原來的四拍磁動勢分布在一個等幅勻速旋轉磁場中，如圖4-42所示。804.6.2功率驅動電路2）把順序脈沖發(fā)生器產生的等幅等寬脈沖，先合成為階梯波，然后再對階梯波進行功率放