步进电机 课件
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步进电动机ppt课件
T=-Csinθ
式中C为常数，与控制绕组、控制电流、磁阻等有关。步进电机某 相绕组通电时矩角特性如图所示。
矩角特性上静转矩的最大值Tsm称为最大静转矩。
7
2、多相通电时 a) 三相步进电动机 A→AB→B→BC→C→CA→A顺序通电
TA=Tmaxsinθse TB=Tmaxsin(θse-120°)
TAB= TA+ TB= 2Tmaxcos60°=Tmax
8
b)五相步进电动机 1、供电方式； （C=1）：五相单五拍 A→B→C→D→E→A
五相双五拍 AB→BC→CD→DE→EA→AB 五相三五拍 ABC→BCD→CDE→DEA→EAB→ABC (C=2): 五相单双十拍 A→AB→B→BC→C→CD→D→DE→E→EA→A 五相三双十拍 AB→ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB
二、步进运行状态（单脉冲运行状态） 当接入控制绕组的脉冲频率较低，电机转子完成一步之后，下 一个脉冲才到来，电机呈现出一转一停的状态，故称之为步进 运行状态。 1、步进运行状态过程负载 TL=0（即空载）
12
A相通电时，-π<θ<π为静稳定区，当A相绕组断电转到B相绕组通电 时，新的稳定平衡点为b，对应于它的静稳定区为-π+θb<θ<π+θb （图中θb=2/3π）,在换接的瞬间，转子的位置只要停留在此区域内， 就能趋向新的稳定平衡点b，所以区域（-π+θb，π+θb）称为动稳定 区，显而易见，相数增加或极数增加，步距角愈小，动稳定区愈接 近静稳定区,即静、动稳定区重叠愈多，步进电机的稳定性愈好。
A相通电时，有
Ua
ra ia
d(Laia ) dt
式中C为常数，与控制绕组、控制电流、磁阻等有关。步进电机某 相绕组通电时矩角特性如图所示。
矩角特性上静转矩的最大值Tsm称为最大静转矩。
7
2、多相通电时 a) 三相步进电动机 A→AB→B→BC→C→CA→A顺序通电
TA=Tmaxsinθse TB=Tmaxsin(θse-120°)
TAB= TA+ TB= 2Tmaxcos60°=Tmax
8
b)五相步进电动机 1、供电方式； （C=1）：五相单五拍 A→B→C→D→E→A
五相双五拍 AB→BC→CD→DE→EA→AB 五相三五拍 ABC→BCD→CDE→DEA→EAB→ABC (C=2): 五相单双十拍 A→AB→B→BC→C→CD→D→DE→E→EA→A 五相三双十拍 AB→ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB
二、步进运行状态（单脉冲运行状态） 当接入控制绕组的脉冲频率较低，电机转子完成一步之后，下 一个脉冲才到来，电机呈现出一转一停的状态，故称之为步进 运行状态。 1、步进运行状态过程负载 TL=0（即空载）
12
A相通电时，-π<θ<π为静稳定区，当A相绕组断电转到B相绕组通电 时，新的稳定平衡点为b，对应于它的静稳定区为-π+θb<θ<π+θb （图中θb=2/3π）,在换接的瞬间，转子的位置只要停留在此区域内， 就能趋向新的稳定平衡点b，所以区域（-π+θb，π+θb）称为动稳定 区，显而易见，相数增加或极数增加，步距角愈小，动稳定区愈接 近静稳定区,即静、动稳定区重叠愈多，步进电机的稳定性愈好。
A相通电时，有
Ua
ra ia
d(Laia ) dt
步进电机-课件
2023年11月10日
第29页
§11.3 步进电动机
①运行矩频特性
2023年11月10日
矩频特性---电机连续转动
时所产生的最大输出转矩T与f
两者间的关系。
当控制脉冲频率增加，电 机转速升高时，步进电动机所 能带动的最大负载转矩值将逐 步下降。主要原因是定子绕组 电感的影响。因步进电机每相 绕组是线圈，而电感有延缓电 流变化的特性。
2023年11月10日
第9页
§11.3 步进电动机
A相通电时定、 转子齿的相对位置
A、 B两相通电时定、 转子齿的相对位置
2023年11月10日
第10页
§11.3 步进电动机
3、基本特点 (1) 步进电动机工作时，每相绕组由专门驱动电源通过
“环形分配器”按一定规律轮流通电。如三相双三拍运行的 环形分配器输入是一路，输出有A、B、C三路。若开始是A、 B这两路有电压，输入一个控制脉冲后就变成B、C这两路有 电压，再输入一个脉冲变成C、A这两路有电压，再输入一 个电脉冲变成A、B这两路有电压了。环形分配器输出的各 路脉冲电压信号，经过各自的放大器放大后送入步进电动机 的各相绕组，使步进电动机一步步转动。
2023年11月10日
第11页
§11.3 步进电动机
电 路 图
三相双三拍 运行各相控 制电压波形 控制方框图
2023年11月10日
第12页
§11.3 步进电动机
(2)步距角--每输入一个脉冲电信号转子转过的角度，用
θb表示。当电机按四相单四拍运行--A-B-C-D-A…… 顺序
通电时，换接一次绕组，转子转过的角度为1/4齿距角；转 子需要走4步，才转过一个齿距角。当四相八拍运行--AAB-B-BC-C-CD-D-DA……顺序通电时，换接一次绕组， 转子转过的角度为1/8齿距角；转子需要走8步才转过一个
步进电机及其工作原理1ppt课件
360°
θb = m* Z*C
式中：m －定子相数
2
A A
1
4
2
Z － 转子齿数
3
C －通电方式
A
C = 1 单相轮流通电、双相轮流通电方式
C = 2 单、双相轮流通电方式
制作：张津
常用步进电机的步距角 常用步进电机的定子绕组多数是三相和五相, 与此相匹配
的转子齿数分别为40齿和48齿，即有 三相步进电机：
1. 脉冲混合电路 将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合
为正向或负向脉冲进给信号 2. 加减脉冲分配电路
将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲
制作：张津
步进电机的驱动控制
3. 加减速电路 将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性
的脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。 4. 环形分配器
单双相轮流通电（M相2M拍） 顺时针轮回 A→AB→B→BC→C→CA→A 逆时针轮回 A→AC→C→CB→B→BA→A
制作：张津
单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿
定子通电顺序： A→B→C→A
转子旋转方向： 顺时针
步距角：
θb = 60°
A
A
1
B
1 2
2
B
A
A
C
B
1 2
1 2
C A 60°
2 B
A
A
C
B
60° 1 2
1 2
60°
B
C
B
A
制作：张津
单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿
定子通电顺序： A→AB→B→BC→C→CA→A
θb = m* Z*C
式中：m －定子相数
2
A A
1
4
2
Z － 转子齿数
3
C －通电方式
A
C = 1 单相轮流通电、双相轮流通电方式
C = 2 单、双相轮流通电方式
制作：张津
常用步进电机的步距角 常用步进电机的定子绕组多数是三相和五相, 与此相匹配
的转子齿数分别为40齿和48齿，即有 三相步进电机：
1. 脉冲混合电路 将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合
为正向或负向脉冲进给信号 2. 加减脉冲分配电路
将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲
制作：张津
步进电机的驱动控制
3. 加减速电路 将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性
的脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。 4. 环形分配器
单双相轮流通电（M相2M拍） 顺时针轮回 A→AB→B→BC→C→CA→A 逆时针轮回 A→AC→C→CB→B→BA→A
制作：张津
单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿
定子通电顺序： A→B→C→A
转子旋转方向： 顺时针
步距角：
θb = 60°
A
A
1
B
1 2
2
B
A
A
C
B
1 2
1 2
C A 60°
2 B
A
A
C
B
60° 1 2
1 2
60°
B
C
B
A
制作：张津
单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿
定子通电顺序： A→AB→B→BC→C→CA→A
第30课--步进电机学习ppt课件
正转〔反转〕时，（反向〕依次输出 表中各单元内容，输出状态是表底 〔表首〕状态时，修改索引值使下 一次输出重新为表首〔表底〕形状。
表13.2 环形分配表
存储单元地址 K+0 K+1 K+2 K+3 K+4 K+5
单元内容 01H(0001) 03H(0011) 02H(0010) 06H(0110) 04H(0100) 05H(0101)
在工作过程中，尽量避免由负载突变而引起的误 差。
在工作中若发生失步现象，先检查负载〔是否过 大）、电源电压〔是否正常），再检查驱动电 源输出波形〔是否正常），不应随意变换元件。
作业： P:361 13.6，13.10～11
转过的角度，一般会跟上来，严重（ ） 时会启动f 不起来。 在运转时，因惯性作用，经过几次振荡后才停 下来，严重时会引起失步。
措施：采用阻尼方法，消除或减弱步进电机的 振荡。
13.4.2 主要性能指标和注意事项
主要性能指标 1) 步距角 ——步进电动机的主要性能指标之一， 它直接影响启动和运行频率。
齿的位置刚好错开 /m
（ —齿距，m—相数）。
3. 公式： l 齿距
360 Z
（Z—转子齿数）
l 步距角
拍数
360 ZKm
＝2）
（K—状态系数，三拍时，K=1；六拍时，K
360 3
340
例如：Z＝40，三相单三拍运行，那么
由此可见，转 子 齿数Z↑（或定子相数m↑，或运行拍 数Km↑），那么 ，控制越精确。
l “稳定运行”Ts max
3. 脉冲信号频率对运行的影响
(a) 频率很低〔接近矩形波）； (b) 频率增高〔波形畸变）； (c) 频率很高〔I 下降到 I/ ）。
表13.2 环形分配表
存储单元地址 K+0 K+1 K+2 K+3 K+4 K+5
单元内容 01H(0001) 03H(0011) 02H(0010) 06H(0110) 04H(0100) 05H(0101)
在工作过程中，尽量避免由负载突变而引起的误 差。
在工作中若发生失步现象，先检查负载〔是否过 大）、电源电压〔是否正常），再检查驱动电 源输出波形〔是否正常），不应随意变换元件。
作业： P:361 13.6，13.10～11
转过的角度，一般会跟上来，严重（ ） 时会启动f 不起来。 在运转时，因惯性作用，经过几次振荡后才停 下来，严重时会引起失步。
措施：采用阻尼方法，消除或减弱步进电机的 振荡。
13.4.2 主要性能指标和注意事项
主要性能指标 1) 步距角 ——步进电动机的主要性能指标之一， 它直接影响启动和运行频率。
齿的位置刚好错开 /m
（ —齿距，m—相数）。
3. 公式： l 齿距
360 Z
（Z—转子齿数）
l 步距角
拍数
360 ZKm
＝2）
（K—状态系数，三拍时，K=1；六拍时，K
360 3
340
例如：Z＝40，三相单三拍运行，那么
由此可见，转 子 齿数Z↑（或定子相数m↑，或运行拍 数Km↑），那么 ，控制越精确。
l “稳定运行”Ts max
3. 脉冲信号频率对运行的影响
(a) 频率很低〔接近矩形波）； (b) 频率增高〔波形畸变）； (c) 频率很高〔I 下降到 I/ ）。
《步进电动机》PPT课件
2021/4/23
24
第11章 步进电动机
t
360 Zr
(式中， Zr为转子齿数)， 所以转子每步转过的空间 角度(机械角度)， 即步距角为
s
t
N
360 Zr N
(11 - 1)
式中， N为运行拍数， N=km (k=1, 2； m为相数)。
2021/4/23
25
第11章 步进电动机
为了提高工作精度， 就要求步距角很小。 由式(11 - 1)可见， 要减小步距角可以增加拍数N。 相数增加相 当于拍数增加， 但相数越多， 电源及电机的结构也越 复杂。 反应式步进电动机一般做到六相， 个别的也有 八相或更多相数。 对同一相数既可以采用单拍制， 也 可采用双拍制。 采用双拍制时步距角减小一半。 所以 一台步进电动机可有两个步距角， 如1.5°/0.75°、 1.2°/0.6°、 3°/1.5°等。
2021/4/23
8
第11章 步进电动机
当A相控制绕组通电，而B相和C相都不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点， 所以转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐。同理，当断开A相接通B相时，转子便按逆时针方 向转过30°，使转子齿2和4的轴线与定子B极轴线对齐。断开B相，接通C相，则转子再转过 30°，使转子齿1和3的轴线与C极轴线对齐。从而实现逆时针旋转。
θte=360° 或 θte=2π rad 相应的步距角为
be
te
N
360 N
(11 - 2)
2021/4/23
27
第11章 步进电动机
或
be
2
N
(11 - 3)
所以当拍数一定时， 不论转子齿数多少， 用电角
度表示的步距角均相同。
《步进电机》PPT课件
➢ 当U相通电，V、W相不通电，如图3.3a所示，1、3齿 与U相对齐；
➢ 当V相通电，U、W相不通电，如图3.3b所示，2、4齿 与V相对齐；
➢ 当W相通电，U、V相不通电，如图3.3c所示，1、3齿 与W相对齐；
整理ppt
8
整理ppt
9
由此可见，当通电顺序为U→V → W→U →V →…时，转子便顺时针方向一步一步地转动，通 电状态每换接一次，转子前进一步，一步对应的 角度称为步距角。
上述两种通电方式的组合。即通电方式为：U → UV → V → VW→W → WU →U →… 称为三相六拍通电，如图3.4所示。 三相六拍通电方式的步距角减小一倍。
整理ppt
13
3.1.2 小步距角步进电动机
实际的小步距角电动机如图3.5所示。它的定子内 圆和转子外圆上均有齿和槽，而且定子和转子的 齿宽和齿距相等。
第3章 步进电动机传动控制
3.1 步进电动机 3.2 步进电动机的环形分配器 3.3 步进电动机的驱动电路
整理ppt
1
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或 角位移的执行元件。步进电动机的运动由一系列电脉 冲控制，脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形 分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。为了 使电动机能够输出足够的功率，经过环形分配器产生 的脉冲信号还需要进行功率放大。
整理ppt
11
（2）通电方式 双相轮流通电方式
每次有两相绕组通电，通电状态切换时，转子转动平稳， 且输出力矩较大，这种通电方式定位精度高而且不易 失步。
以三相反应式电动机为例，双相轮流通电方式为：UV → VW→WU →UV →… 称为三相双三拍通电。
整理ppt
12
（2）通电方式 单双相轮流通电方式
➢ 当V相通电，U、W相不通电，如图3.3b所示，2、4齿 与V相对齐；
➢ 当W相通电，U、V相不通电，如图3.3c所示，1、3齿 与W相对齐；
整理ppt
8
整理ppt
9
由此可见，当通电顺序为U→V → W→U →V →…时，转子便顺时针方向一步一步地转动，通 电状态每换接一次，转子前进一步，一步对应的 角度称为步距角。
上述两种通电方式的组合。即通电方式为：U → UV → V → VW→W → WU →U →… 称为三相六拍通电，如图3.4所示。 三相六拍通电方式的步距角减小一倍。
整理ppt
13
3.1.2 小步距角步进电动机
实际的小步距角电动机如图3.5所示。它的定子内 圆和转子外圆上均有齿和槽，而且定子和转子的 齿宽和齿距相等。
第3章 步进电动机传动控制
3.1 步进电动机 3.2 步进电动机的环形分配器 3.3 步进电动机的驱动电路
整理ppt
1
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或 角位移的执行元件。步进电动机的运动由一系列电脉 冲控制，脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形 分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。为了 使电动机能够输出足够的功率，经过环形分配器产生 的脉冲信号还需要进行功率放大。
整理ppt
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（2）通电方式 双相轮流通电方式
每次有两相绕组通电，通电状态切换时，转子转动平稳， 且输出力矩较大，这种通电方式定位精度高而且不易 失步。
以三相反应式电动机为例，双相轮流通电方式为：UV → VW→WU →UV →… 称为三相双三拍通电。
整理ppt
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（2）通电方式 单双相轮流通电方式
步进电动机课件ppt
驱动电路类型
常见的步进电动机驱动电 路包括H桥、A4988等。
驱动电路元件
驱动电路的主要元件包括 晶体管、二极管、电容等 ，用于实现电流的放大和 转换。
步进电动机的常见
04
问题与解决方案
步进电动机的常见问题
电机发热过高
电机运行噪音过大
电机在运行过程中发热过高，可能是由于 电机过载、通风不良、绕组故障等原因。
定制化
随着市场的多样化需求，步 进电动机将逐渐实现定制化 生产，满足不同客户和行业 的特殊需求。
步进电动机的未来展望
更广泛的应用领域
随着步进电动机性能和效率的提高，其 应用领域将进一步扩大，涉及到更多行
业和领域。
更智能的集成系统
未来步进电动机将与传感器、控制器 等智能器件集成，形成更智能的控制
系统。
步进电动机的旋转角度和速度 可以通过控制脉冲的数量和频
率来实现高精度的控制。
响应速度快
步进电动机的转动速度和方向 可以通过控制脉冲的频率和相 序来快速响应。
低速性能好
步进电动机在低速时仍能保持 较好的稳定性和平滑性，不会 出现丢步或过冲的现象。
可靠性高
步进电动机的结构简单，维护 方便，且使用寿命长，可靠性
它广泛应用于各种自动化设备、机器 人、数控机床等领域，是实现精密控 制的重要元件之一。
步进电动机的分类
根据结构分类
根据工作电流方式分类
有齿型步进电动机、无齿型步进电动 机、混合型步进电动机等。
有直流步进电动机和交流步进电动机 。
根据相数分类
有单相、两相、三相和多相步进电动 机。
步进电动机的工作原理
步进电动机的驱动
03
控制
步进电动机驱动器
步进电机工作原理及实现PPT
步距角 （3）通电一周，转子转过一种齿距角，
N 为几，一种齿距角分几步走完。
微机控制技术
4．4．2 步进电机控制系统原理
图4—41步进电机控制系统旳构成
p129
微机控制技术
4．4．2 步进电机控制系统原理
（1）步进控制器 ① 涉及：缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及
正、反转向控制门等。 ② 作用:
微机控制技术
4．4．2 步进电机控制系统原理
本课主要处理如下几种问题： (1) 用软件旳措施实现脉冲序列； (2) 步进电机旳方向控制； (3) 步进电机控制程序旳设计。
微机控制技术
4．4．2 步进电机控制系统原理
1．脉冲序列旳生成
图4—43 脉冲序列 P130 微机控制技术
4．4．2 步进电机控制系统原理
（2）根据所选定旳步进电机及控制方式，写出相应控制方 式旳数学模型。 上面讲旳三种控制方式旳数学模型分别为：
微机控制技术
4．4．2 步进电机控制系统原理
★ 三相单三拍
控制位
工控
步 PC. PC. PC. PC. PC. PC. PC. PC. 作 制 序 7 6 5 4 3 2 1 0 状模
C相 B相 A相 态 型
1 0 0 0 0 0 0 0 1 A 01H
2 0 0 0 0 0 0 1 0 B 02 H
3 0 0 0 0 0 1 0 0 C 04 H
微机控制技术
★ 三相双三拍
用 P1口 旳 P1.2 、P1.1、P1.0 相应 C、B、A 相 进行控制 。
4．4．2 步进电机控制系统原理
★同理，能够得出双三拍和三相六拍旳控制模型： 双三拍 03H，06H，05H
AABBBCCCA ；
N 为几，一种齿距角分几步走完。
微机控制技术
4．4．2 步进电机控制系统原理
图4—41步进电机控制系统旳构成
p129
微机控制技术
4．4．2 步进电机控制系统原理
（1）步进控制器 ① 涉及：缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及
正、反转向控制门等。 ② 作用:
微机控制技术
4．4．2 步进电机控制系统原理
本课主要处理如下几种问题： (1) 用软件旳措施实现脉冲序列； (2) 步进电机旳方向控制； (3) 步进电机控制程序旳设计。
微机控制技术
4．4．2 步进电机控制系统原理
1．脉冲序列旳生成
图4—43 脉冲序列 P130 微机控制技术
4．4．2 步进电机控制系统原理
（2）根据所选定旳步进电机及控制方式，写出相应控制方 式旳数学模型。 上面讲旳三种控制方式旳数学模型分别为：
微机控制技术
4．4．2 步进电机控制系统原理
★ 三相单三拍
控制位
工控
步 PC. PC. PC. PC. PC. PC. PC. PC. 作 制 序 7 6 5 4 3 2 1 0 状模
C相 B相 A相 态 型
1 0 0 0 0 0 0 0 1 A 01H
2 0 0 0 0 0 0 1 0 B 02 H
3 0 0 0 0 0 1 0 0 C 04 H
微机控制技术
★ 三相双三拍
用 P1口 旳 P1.2 、P1.1、P1.0 相应 C、B、A 相 进行控制 。
4．4．2 步进电机控制系统原理
★同理，能够得出双三拍和三相六拍旳控制模型： 双三拍 03H，06H，05H
AABBBCCCA ；
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第4页
2013年8月27日
§11.3 步进电动机
当A相通电B、C相不通电时，由于磁通具有力图走磁 阻最小路径的特点，转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐。 同 理 断 开 A 接 通 B 时 、 断 开 B 接 通 C 转 子 转 过 30° 。 按 A→B→C→A…接通和断开控制绕组转子就连续转动。转速 取决于控制绕组通、断电的频率，转向取决于通电的顺序。
60 f n (r / min) ZR N
2013年8月27日
脉冲频率、转子齿数和拍数，而与 电压、负载、温度等因素无关。
第15页
f为控制脉冲的频率，转速取决于
§11.3 步进电动机
(4) 步进电机具有自锁能力。当控制电脉冲停止输入，让 最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时，电机保持在最 后一个脉冲控制的角位移的终点位置上。步进电动机可以 实现停车时转子定位。
距角仍为120°电角度。
2013年8月27日
第25页
§11.3 步进电动机
负载时步进电动机的单步运行
2013年8月27日
第26页
§11.3 步进电动机
③单步运行时带动的最大负载
电机作单步运行时的矩角特性，图中相邻两状态矩角 特性的交点对应的电磁转矩用 Tq 表示。相邻矩角特性的交 点所对应的转矩 Tq 是电机作单步运动所能带动的极限负载， 也称为极限启动转矩。实际电机所带的负载转矩 TL 必须小 于极限启动转矩才能运行，即电机所带负载的阻转矩TL＜Tq。
的各相绕组，使步进电动机一步步转动。
2013年8月27日
第11页
§11.3 步进电动机
电 路 图
三相双三拍 运行各相控 制电压波形 控制方框图
2013年8月27日
第12页
§11.3 步进电动机
(2)步距角--每输入一个脉冲电信号转子转过的角度，用 θb表示。当电机按四相单四拍运行--A-B-C-D-A…… 顺序 通电时，换接一次绕组，转子转过的角度为1/4齿距角；转 子需要走4步，才转过一个齿距角。当四相八拍运行--AAB-B-BC-C-CD-D-DA……顺序通电时，换接一次绕组， 转子转过的角度为1/8齿距角；转子需要走8步才转过一个 齿距角。齿距角--转子相邻两齿间的夹角，用θt表示。
三 相 单 三 拍 运 行
2013年8月27日
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§11.3 步进电动机
②三相六拍运行
供电方式是A→AB→B→BC→C→CA→A …… ， 共有 6 种通电状态，每一循环换接 6 次，这 6 种通电状态 中有时只有一相绕组通电(如A相)即单拍，有时有两相绕 组同时通电(如A相和B相)即双拍，故称三相单、双六拍。
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2013年8月27日
§11.3 步进电动机
稳定平衡---当θe=0转子齿轴线和定子齿轴线重合，T=0。位 置静态转矩---转子偏离转过某一角度时，定、转子齿之间的 吸力有了切向分量，而形成转矩T。
定、转子间的作用力
2013年8月27日
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§11.3 步进电动机
T=-(IW) 2ZsZRlG1sinθe
2013年8月27日
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§11.3 步进电动机
一、工作原理和特点
1、结构
定子铁心由硅钢片叠成， 定子有8个磁极(大齿)，磁极 上有小齿。有4套定子控制绕 组，绕在径向相对的磁极上 的绕组为一相。转子由叠片 铁心构成，沿圆周有很多小 齿。定子磁极和转子上小齿 的齿距必须相等。
2013年8月27日
四相反应式步进电动机
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§11.3 步进电动机
2、工作原理
反应式步进电机是利用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻 之差所引起的反应转矩而转动的。以三相反应式步进电机 为例--定子6极不带小齿，每两个相对的极上绕有一相控制 绕组，转子4个齿，齿宽等于定子的极靴宽。 ①三相单三拍运行 三相--指步进电机具有三相定子绕组； 单--指每次只 有一相绕组通电；三拍--指三次换接为一个循环，即按A B - C - A …… 方式运行的称为三相单三拍运行。
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§11.3 步进电动机
③三相双三拍运行
通电方式AB→BC→CA→AB‥，转过30 °。 ④四相步进电机 四相八拍--通电方式A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A…… ， 与三相步进电动机道理一样，当A相通电转到A、 B两相同 时通电时，定、转子齿的相对位置变为转子按顺时针方向 只转过1/8齿距角，即0.9°。 四相双四拍--通电方式AB-BC-CD-DA-AB…… 步距角 与四相单四拍运行时一样为1/4齿距角，即1.8°。
360 t ZR
360 b N ZR N
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t
ZR为转子齿数，N为运行拍数
2013年8月27日
§11.3 步进电动机
提高工作精度就要求步距角很小。要减小步距角可以增
加拍数N；增加相数电源及电机的结构也越复杂。反应式步
进电动机一般做到六相，个别也有八相或更多；一台步进电 动机有两个步距角，如1.5°/0.75°、1.2°/0.6°、 3°/1.5°等。增加转子齿数ZR，步距角也可减小，所以反 应式步进电动机的转子齿数一般是很多；通常反应式步进电 动机的步距角为零点几度到几度。
综上所述，步进电动机工作时的步数或转速不受电压波动 和负载变化的影响(允许负载范围内)，也不受环境条件(温 度、压力、冲击、振动等)变化的影响，只与控制脉冲同步， 同时它又能按照控制的要求，实现启动、停止、反转或改 变转速。因此步进电动机广泛应用于各种数字控制系统中。
2013年8月27日
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§11.3 步进电动机
2013年8月27日
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§11.3 步进电动机
应用：数控机床、绘图机、 轧钢机、记录仪等方面。 基本要求：(1)能迅速启动、正反转、停转，在很宽的 范围内调速；(2)要，直接带负载。 分类：按励磁方式分为反应式、 永磁式和感应子式。 反应式步进电动机用得多， 结构简单， 故着重讲述。
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§11.3 步进电动机
①单相通电时
单相通电时，通电相极下的齿产生转矩，这些齿与转 子齿的相对位置及所产生的转矩都是相同的，故可以用一 对定、转子齿的相对位置来表示转子位置，电机总的转矩 等于通电相极下各个定子齿所产生的转矩之和。 失调角θe ---定子齿轴线与转子齿轴 线之间的夹角θe表示为电角度。 齿距角θt---一个齿距对应的电角度 则θte=2π。
二、运行特性
1、矩角特性和静态转矩
当控制脉冲不断送入各相绕组按一定程序轮流通电， 步进电动机转子就一步步地转动。当控制脉冲停止时，如 某些相绕组仍通入恒定不变的电流，转子将固定于某位置 保持不动，称为静止状态。此时即使有一个小的扰动使转 子偏离此位置，磁拉力也能把转子拉回来。对于多相步进 电动机，定子控制绕组可以是一相通电，也可以是几相同 时通电，下面分别进行讨论。
2013年8月27日
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§11.3 步进电动机
2、单步运行状态
指步进电动机仅改变一次通电状态时的运行方式， 或 输入脉冲频率非常之低，加第二脉冲之前前一步已经走完 的运行状态。 ①空载运行
通电顺序为A→B→C→A，转子停在θe=0的位置上，
如果此时送入一个控制脉冲，切换为B相绕组通电，矩角 特性就移动一个步距角θeb(等于120°)，跃变为曲线B，
的动态特性作一定的分析。
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§11.3 步进电动机
①运行矩频特性
矩频特性---电机连续转动 时所产生的最大输出转矩 T 与 f 两者间的关系。 当控制脉冲频率增加，电 机转速升高时，步进电动机所 能带动的最大负载转矩值将逐 步下降。主要原因是定子绕组 电感的影响。因步进电机每相 绕组是线圈，而电感有延缓电 流变化的特性。
TAB =TA+TB=-Tjmaxsinθe-Tjmaxsin(θe-120°) =-Tjmaxsin(θe-60°) 是条与A相矩角特性相距120°(即θte/3)的正弦曲线。
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§11.3 步进电动机
三相步进电动机两相通电时的转矩 (a) 矩角特性； (b) 转矩向量图
θe=120°就成为新的平衡位置。
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§11.3 步进电动机
空载时步进电动机的单步运行 2013年8月27日
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§11.3 步进电动机
②负载运行
当电机带恒定负载TL时若A相通电，转子将停留在失调 角为θea的位置上，当θe=θea时，电磁转矩TA(对应a点的转 矩)与负载转矩TL相等，转子处于平衡。送入控制脉冲转换 到B相通电，则转子所受的有效转矩为电磁转矩TB与负载转 矩TL之差，即图上的阴影部分。转子在此转矩的作用下转过 一个步距角120°，由θe=θea转到新的平衡位置θe=θeb。 这样当绕组不断地换接时，电机也不断地作步进运动，步
2013年8月27日
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§11.3 步进电动机
A相通电时定、 转子齿的相对位置
A、 B两相通电时定、 转子齿的相对位置
2013年8月27日
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§11.3 步进电动机
3、基本特点
(1) 步进电动机工作时，每相绕组由专门驱动电源通过 “环形分配器”按一定规律轮流通电。如三相双三拍运行的 环形分配器输入是一路，输出有A、B、C三路。若开始是A、 B这两路有电压，输入一个控制脉冲后就变成B、C这两路有 电压，再输入一个脉冲变成C、A这两路有电压，再输入一 个电脉冲变成A、B这两路有电压了。环形分配器输出的各 路脉冲电压信号，经过各自的放大器放大后送入步进电动机
§11.3 步进电动机
§11.3 步进电动机
步进电动机（脉冲电动机）--将脉冲电信号变换为相应 的角位移或直线位移的电机，即给一个脉冲电信号，电动机 就转动一个角度或前进一步，角位移与脉冲数成正比，转速 与脉冲频率成正比，转向与各相绕组的通电方式有关。
2013年8月27日
§11.3 步进电动机
当A相通电B、C相不通电时，由于磁通具有力图走磁 阻最小路径的特点，转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐。 同 理 断 开 A 接 通 B 时 、 断 开 B 接 通 C 转 子 转 过 30° 。 按 A→B→C→A…接通和断开控制绕组转子就连续转动。转速 取决于控制绕组通、断电的频率，转向取决于通电的顺序。
60 f n (r / min) ZR N
2013年8月27日
脉冲频率、转子齿数和拍数，而与 电压、负载、温度等因素无关。
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f为控制脉冲的频率，转速取决于
§11.3 步进电动机
(4) 步进电机具有自锁能力。当控制电脉冲停止输入，让 最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时，电机保持在最 后一个脉冲控制的角位移的终点位置上。步进电动机可以 实现停车时转子定位。
距角仍为120°电角度。
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§11.3 步进电动机
负载时步进电动机的单步运行
2013年8月27日
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§11.3 步进电动机
③单步运行时带动的最大负载
电机作单步运行时的矩角特性，图中相邻两状态矩角 特性的交点对应的电磁转矩用 Tq 表示。相邻矩角特性的交 点所对应的转矩 Tq 是电机作单步运动所能带动的极限负载， 也称为极限启动转矩。实际电机所带的负载转矩 TL 必须小 于极限启动转矩才能运行，即电机所带负载的阻转矩TL＜Tq。
的各相绕组，使步进电动机一步步转动。
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§11.3 步进电动机
电 路 图
三相双三拍 运行各相控 制电压波形 控制方框图
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§11.3 步进电动机
(2)步距角--每输入一个脉冲电信号转子转过的角度，用 θb表示。当电机按四相单四拍运行--A-B-C-D-A…… 顺序 通电时，换接一次绕组，转子转过的角度为1/4齿距角；转 子需要走4步，才转过一个齿距角。当四相八拍运行--AAB-B-BC-C-CD-D-DA……顺序通电时，换接一次绕组， 转子转过的角度为1/8齿距角；转子需要走8步才转过一个 齿距角。齿距角--转子相邻两齿间的夹角，用θt表示。
三 相 单 三 拍 运 行
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§11.3 步进电动机
②三相六拍运行
供电方式是A→AB→B→BC→C→CA→A …… ， 共有 6 种通电状态，每一循环换接 6 次，这 6 种通电状态 中有时只有一相绕组通电(如A相)即单拍，有时有两相绕 组同时通电(如A相和B相)即双拍，故称三相单、双六拍。
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§11.3 步进电动机
稳定平衡---当θe=0转子齿轴线和定子齿轴线重合，T=0。位 置静态转矩---转子偏离转过某一角度时，定、转子齿之间的 吸力有了切向分量，而形成转矩T。
定、转子间的作用力
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T=-(IW) 2ZsZRlG1sinθe
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§11.3 步进电动机
一、工作原理和特点
1、结构
定子铁心由硅钢片叠成， 定子有8个磁极(大齿)，磁极 上有小齿。有4套定子控制绕 组，绕在径向相对的磁极上 的绕组为一相。转子由叠片 铁心构成，沿圆周有很多小 齿。定子磁极和转子上小齿 的齿距必须相等。
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四相反应式步进电动机
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2、工作原理
反应式步进电机是利用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻 之差所引起的反应转矩而转动的。以三相反应式步进电机 为例--定子6极不带小齿，每两个相对的极上绕有一相控制 绕组，转子4个齿，齿宽等于定子的极靴宽。 ①三相单三拍运行 三相--指步进电机具有三相定子绕组； 单--指每次只 有一相绕组通电；三拍--指三次换接为一个循环，即按A B - C - A …… 方式运行的称为三相单三拍运行。
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③三相双三拍运行
通电方式AB→BC→CA→AB‥，转过30 °。 ④四相步进电机 四相八拍--通电方式A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A…… ， 与三相步进电动机道理一样，当A相通电转到A、 B两相同 时通电时，定、转子齿的相对位置变为转子按顺时针方向 只转过1/8齿距角，即0.9°。 四相双四拍--通电方式AB-BC-CD-DA-AB…… 步距角 与四相单四拍运行时一样为1/4齿距角，即1.8°。
360 t ZR
360 b N ZR N
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t
ZR为转子齿数，N为运行拍数
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提高工作精度就要求步距角很小。要减小步距角可以增
加拍数N；增加相数电源及电机的结构也越复杂。反应式步
进电动机一般做到六相，个别也有八相或更多；一台步进电 动机有两个步距角，如1.5°/0.75°、1.2°/0.6°、 3°/1.5°等。增加转子齿数ZR，步距角也可减小，所以反 应式步进电动机的转子齿数一般是很多；通常反应式步进电 动机的步距角为零点几度到几度。
综上所述，步进电动机工作时的步数或转速不受电压波动 和负载变化的影响(允许负载范围内)，也不受环境条件(温 度、压力、冲击、振动等)变化的影响，只与控制脉冲同步， 同时它又能按照控制的要求，实现启动、停止、反转或改 变转速。因此步进电动机广泛应用于各种数字控制系统中。
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§11.3 步进电动机
应用：数控机床、绘图机、 轧钢机、记录仪等方面。 基本要求：(1)能迅速启动、正反转、停转，在很宽的 范围内调速；(2)要，直接带负载。 分类：按励磁方式分为反应式、 永磁式和感应子式。 反应式步进电动机用得多， 结构简单， 故着重讲述。
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§11.3 步进电动机
①单相通电时
单相通电时，通电相极下的齿产生转矩，这些齿与转 子齿的相对位置及所产生的转矩都是相同的，故可以用一 对定、转子齿的相对位置来表示转子位置，电机总的转矩 等于通电相极下各个定子齿所产生的转矩之和。 失调角θe ---定子齿轴线与转子齿轴 线之间的夹角θe表示为电角度。 齿距角θt---一个齿距对应的电角度 则θte=2π。
二、运行特性
1、矩角特性和静态转矩
当控制脉冲不断送入各相绕组按一定程序轮流通电， 步进电动机转子就一步步地转动。当控制脉冲停止时，如 某些相绕组仍通入恒定不变的电流，转子将固定于某位置 保持不动，称为静止状态。此时即使有一个小的扰动使转 子偏离此位置，磁拉力也能把转子拉回来。对于多相步进 电动机，定子控制绕组可以是一相通电，也可以是几相同 时通电，下面分别进行讨论。
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2、单步运行状态
指步进电动机仅改变一次通电状态时的运行方式， 或 输入脉冲频率非常之低，加第二脉冲之前前一步已经走完 的运行状态。 ①空载运行
通电顺序为A→B→C→A，转子停在θe=0的位置上，
如果此时送入一个控制脉冲，切换为B相绕组通电，矩角 特性就移动一个步距角θeb(等于120°)，跃变为曲线B，
的动态特性作一定的分析。
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①运行矩频特性
矩频特性---电机连续转动 时所产生的最大输出转矩 T 与 f 两者间的关系。 当控制脉冲频率增加，电 机转速升高时，步进电动机所 能带动的最大负载转矩值将逐 步下降。主要原因是定子绕组 电感的影响。因步进电机每相 绕组是线圈，而电感有延缓电 流变化的特性。
TAB =TA+TB=-Tjmaxsinθe-Tjmaxsin(θe-120°) =-Tjmaxsin(θe-60°) 是条与A相矩角特性相距120°(即θte/3)的正弦曲线。
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三相步进电动机两相通电时的转矩 (a) 矩角特性； (b) 转矩向量图
θe=120°就成为新的平衡位置。
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空载时步进电动机的单步运行 2013年8月27日
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②负载运行
当电机带恒定负载TL时若A相通电，转子将停留在失调 角为θea的位置上，当θe=θea时，电磁转矩TA(对应a点的转 矩)与负载转矩TL相等，转子处于平衡。送入控制脉冲转换 到B相通电，则转子所受的有效转矩为电磁转矩TB与负载转 矩TL之差，即图上的阴影部分。转子在此转矩的作用下转过 一个步距角120°，由θe=θea转到新的平衡位置θe=θeb。 这样当绕组不断地换接时，电机也不断地作步进运动，步
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A相通电时定、 转子齿的相对位置
A、 B两相通电时定、 转子齿的相对位置
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3、基本特点
(1) 步进电动机工作时，每相绕组由专门驱动电源通过 “环形分配器”按一定规律轮流通电。如三相双三拍运行的 环形分配器输入是一路，输出有A、B、C三路。若开始是A、 B这两路有电压，输入一个控制脉冲后就变成B、C这两路有 电压，再输入一个脉冲变成C、A这两路有电压，再输入一 个电脉冲变成A、B这两路有电压了。环形分配器输出的各 路脉冲电压信号，经过各自的放大器放大后送入步进电动机
§11.3 步进电动机
§11.3 步进电动机
步进电动机（脉冲电动机）--将脉冲电信号变换为相应 的角位移或直线位移的电机，即给一个脉冲电信号，电动机 就转动一个角度或前进一步，角位移与脉冲数成正比，转速 与脉冲频率成正比，转向与各相绕组的通电方式有关。