第五章步进电机
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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
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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
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
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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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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
步进电机原理
步进电机原理
步进电机是一种能够将电能转化为机械运动的电机。
其原理基于电磁学和磁学的相互作用。
步进电机主要由定子和转子两部分组成。
定子上布置有若干对固定的电磁线圈，线圈上通以脉冲电流。
转子上装有磁铁，磁铁的数量通常是奇数。
当给定子上的电线圈通以电流时，该线圈就会产生磁场。
根据安培力的作用，转子上的磁铁会被电磁线圈的磁力所吸引或排斥，从而产生转动力矩。
当电流停止通入时，转子就会停止转动。
步进电机的运动一般是通过脉冲方式控制的。
每当给定子上的电线圈通入电流时，转子就会转动一个固定的角度，这个角度被称为步距角，通常为1.8度或0.9度。
通过将脉冲信号输入
到电机控制器中，可以控制步进电机旋转的方向和步距角的大小。
步进电机具有精度高、转速可调节、响应快等优点，因此广泛应用于数控机床、打印机、自动化设备等领域。
但由于其无位置反馈功能，容易出现失步现象，对工作环境要求较高。
因此，在应用步进电机时，需要注意选择合适的控制方式和控制器，以保证其正常运行。
步进电机的工作原理
工作原理
当电流通过线圈时，会产生磁场，磁 场与转子相互作用，推动转子转动。
结构
定子通常由多个极对组成，每个极对 上绕有线圈，通过电流产生磁场。
转子
作用
转子是步进电机的旋转部 分，通常由铁磁材料制成， 用于产生磁力线。
结构
转子通常由一个或多个磁 极组成，磁极上绕有线圈， 通过电流产生磁场。
工作原理
当定子的磁场与转子的磁 场相互作用时，转子会转 动。
其他自动化设备
步进电机还广泛应用于各种自动化设备中，如包装机械、生产线上的传送装置、机器人等。
这些设备需要精确的位置控制和快速响应，步进电机凭借其稳定性和可靠性成为理想的选择。
通过以上介绍，可以了解到步进电机在数控机床、打印机等自动化设备中的应用，其工作原 理和特点在这些领域中发挥着重要作用。随着技术的不断发展，步进电机的应用范围还将进 一步扩大，为工业自动化和智能化做出更大的贡献。
步进电机的工作原理
目录
• 步进电机简介 • 步进电机的结构 • 步进电机的运行方式 • 步进电机的控制方式 • 步进电机的应用
步进电机简介
01
步进电机的定义
步进电机是一种将电脉冲信号转换成 角位移或线位移的机电装置，通过控 制输入的脉冲数量和频率，实现电机 定子的旋转角度和速度的控制。
步进电机广泛应用于各种自动化设备 和控制系统，如数控机床、机器人、 打印机、摄影机等。
在加工过程中，步进电机通过接收数 控系统的指令，驱动工作台或刀具进 行精确的位移，从而实现复杂零件的 高精度加工。
打印机
打印机中的打印头移动装置通常采用步进电机作为驱动元件。步进电机能够实现打印头的精确定位和 快速移动，确保打印的文字和图像清晰、准确。
计算机控制(第五章开关IO电机控制步进电机)
（七）电磁阀接口技术 电磁阀对气体、液体管道的开关进行控制。广泛应用于液 压机械、空调系统、热水器、自动机床等系统中。 电磁阀可分为交流和直流两类，根据其阀位和通道数目有 两位三通、两位四通、三位四通等。 下图为电磁阀的结构原理图。
交流电电磁阀常要使用双向可控硅驱动或用一个直流继 电器作为中间继电器控制。
下图为交流电磁阀的接口电路。MOC3041为光电耦合 器，用于触发双向晶闸管KS，以及隔离单片机和电磁阀系统。
（八）报警程序的设计
常用的报警方式有： 1、 声语言报警：电铃，电笛，频率可调的蜂鸣震 荡音响，集成电子音乐芯片，语音芯片等。 2、 显示报警：LED指示灯，闪烁的白炽电灯， LED、LCD数码管，LED、LCD图形显示器，CRT 显示器等。 3、 图形、声音的混合报警。
三、电机控制接口技术
电动机的应用非常广泛。电机分为动力电机和控制电机。 现代化生产对电机的性能要求越来越高：精度、速度、带 负载能力、灵活性、智能化等。 电机的控制用自动化控制设备，朝向集成化、微型化、智 能化方向发展。微机和单片机使电机控制产生革命性的飞跃。目 前已研制出了许多微机或单片机控制电机的系统及专用控制板。 不远的将来，智能化调速系统、电机一体化等会广泛应用。 （一）小功率直流电机调速原理 小功率直流电机的调速可通过控制电枢平均电压来实现。 用微机或单片机控制，通过改变电枢电压接通时间与通电周期的 比值（即占空比）来控制电机速度——此即脉冲宽度调制PWM。 电机转速由电枢电压Ua决定， Ua越大，电机转速越高。 电机通电时速度增加，断电时速度逐渐减小，控制通、断时间比 即可控制电机转速。 设电机全通电时的转速为Vmax，占空比为D=t1/T,则电机的 平均速度为：Vd=Vmax×D （近似的线性关系）
步进电机(步进电机的工作原理)课件
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步进电机(步进电机的工作 原理)课件
目 录
• 步进电机简介 • 步进电机的工作原理 • 步进电机的驱动电路 • 步进电机的性能参数 • 步进电机的发展趋势与未来展望 • 案例分析
01
步进电机简介
步进电机的定义
步进电机是一种将电脉冲信号转换成 角位移或线位移的开环控制电机。
步进电机通过不断接收电脉冲信号来 连续转动，从而实现精确的定位和速 度控制。
脉冲信号
驱动器接收脉冲信号后，根据脉 冲信号的频率和相位控制步进电
机的转动速度和方向。
电流控制
驱动器通过控制电流的大小和方 向，实现步进电机的转动。
驱动电路的优化设计
减小体积
优化电路板布局和元件 选择，减小驱动电路的 体积，方便安装和使用
。
提高效率
优化电源设计和元件选 择，提高驱动电路的效
率，减少能源浪费。
速度测试
通过转速计测量步进电机在动态条件 下的转速表现。
响应时间测试
通过计时器测量步进电机从静止到设 定转速以及从设定转速到静止所需的 时间。
效率测试
通过测量步进电机在额定负载下的输 入功率和输出功率，计算其效率表现 。
05
步进电机的发展趋势 与未来展望
步进电机的发展趋势
小型化与集成化
随着技术的进步，步进电机正朝着更小尺寸和更高集成度 的方向发展。这使得步进电机在许多应用中成为更优选择 ，特别是在空间受限的场景中。
用于工件的精确加工和定位。
机器人
用于机器人的关节驱动和定位 。
自动化生产线
用于自动化设备的驱动和控制 。
医疗器械
用于医疗设备的驱动和控制， 如CT机、核磁共振仪等。
步进电机及其工作原理课件
追求更高的定位精度和速度控制精度， 以满足高精度加工和快速响应的需求。
优化电机设计，提高电机的效率和功 率密度，以降低能耗和提高工作效率。
智能化、网络化的趋势
集成传感器和控制系统，实现电机状态的实时监测和自动 调整。
通过互联网和无线网络实现远程监控和控制，提高生产效 率和设备利用率。
新材料、新工艺的应用
步进电机的效率与发热
效率（Efficiency）
步进电机在工作过程中，输出功率与输入功率的比值，反映了电机的能量利用效 率。
发热（Heat Generation）
由于线圈电阻以及铁芯的磁滞、涡流等损失，步进电机在工作过程中会产生热量， 需要采取散热措施以防止过热。
05
步机的展 与展望
高精度、高效率的追求
摄影和摄像设备
用于云台的控制和调整。
02
步机的工作理
步进电机的结构
步进电机主要由定子和转子组成。定子通常由一系列的磁极组成，而转 子则由一系列的导电材料组成，这些导电材料在磁场的作用下会产生转 矩，从而驱动转子转动。
步进电机的磁极通常有四个、六个或八个，这些磁极按照一定的顺序排 列，形成不同的磁场分布。
步机及其工作理
• 步进电机简介 • 步进电机的工作原理 • 步进电机的驱动电路 • 步进电机的性能参数 • 步进电机的发展趋势与展望
01
步介
步进电机的定义
01
步进电机是一种将电脉冲信号转 换成角位移或线位移的机电元件， 其转动角度或转动圈数与输入的 脉冲数呈线性关系。
02
步进电机由转子、定子和控制电 路组成，转子通常由永磁体构成， 定子则由线圈绕组构成。
03
步机的路
驱动电路的组成
电源
优化电机设计，提高电机的效率和功 率密度，以降低能耗和提高工作效率。
智能化、网络化的趋势
集成传感器和控制系统，实现电机状态的实时监测和自动 调整。
通过互联网和无线网络实现远程监控和控制，提高生产效 率和设备利用率。
新材料、新工艺的应用
步进电机的效率与发热
效率（Efficiency）
步进电机在工作过程中，输出功率与输入功率的比值，反映了电机的能量利用效 率。
发热（Heat Generation）
由于线圈电阻以及铁芯的磁滞、涡流等损失，步进电机在工作过程中会产生热量， 需要采取散热措施以防止过热。
05
步机的展 与展望
高精度、高效率的追求
摄影和摄像设备
用于云台的控制和调整。
02
步机的工作理
步进电机的结构
步进电机主要由定子和转子组成。定子通常由一系列的磁极组成，而转 子则由一系列的导电材料组成，这些导电材料在磁场的作用下会产生转 矩，从而驱动转子转动。
步进电机的磁极通常有四个、六个或八个，这些磁极按照一定的顺序排 列，形成不同的磁场分布。
步机及其工作理
• 步进电机简介 • 步进电机的工作原理 • 步进电机的驱动电路 • 步进电机的性能参数 • 步进电机的发展趋势与展望
01
步介
步进电机的定义
01
步进电机是一种将电脉冲信号转 换成角位移或线位移的机电元件， 其转动角度或转动圈数与输入的 脉冲数呈线性关系。
02
步进电机由转子、定子和控制电 路组成，转子通常由永磁体构成， 定子则由线圈绕组构成。
03
步机的路
驱动电路的组成
电源
步进电机工作原理
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或者线位移的机电元件。
步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或者步进运动。
正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。
由于步进电动机能直接接受数字量的控制，所以特殊适宜采用微机进行控制。
图1 三相反应式步进电动机的结构示意图1 ——定子2——转子3——定子绕组{{分页}}图1 是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。
机电的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60º。
各磁极上套有线圈，按图1 连成A、B、C 三相绕组。
转子上均布40 个小齿。
所以每一个齿的齿距为θ E=360º/40=9º，而定子每一个磁极的极弧上也有5 个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。
由于定子和转子的小齿数目分别是30 和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。
若以A 相磁极小齿和转子的小齿对齐，如图1，那末B 相和C 相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3º。
因此，B、C 极下的磁阻比A 磁极下的磁阻大。
若给B 相通电，B 相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B 相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩(磁阻转矩) 的作用而转动，直到B 磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3º；此时A、C 磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。
接着住手对B 相绕组通电，而改为C 相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过3º。
挨次类推，当三相绕组按A一B一C一A 顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每一个通电脉冲转动3º的规律步进式转动起来。
若改变通电顺序，按A一C一B一A 顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每一个通电脉冲转动3º的规律转动。
因为每一瞬间惟独一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。
第五章 步进电机
按AB 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)磁场在
空间旋转了360°而转子转过90°(一个齿距角)。
单三拍工作方式特点
三相绕组中每次只有一相通电、一个循环 周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。 （1）一个电脉冲，转子转过 30
到左图所示位置：1、3齿与A、
A′极对齐。
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
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。
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。
• 步距角却因拍数增加1倍而减小到齿距
角的1/6， 即S= 15°。
各种工作方式特点归纳
（1）拍数为N，相数为m 时
若单拍运行，则拍数N=m； 若单双拍运行，则N=2m。 （2）经过一个通电循环，转子转过1个齿。
电机转速（）：
n 60 f Zr N
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：
θ = ±π 这个位置是不稳定的，两个不稳定点之间的区域构 成静态稳定区。
电磁转矩的最大值称为最大静态转矩Tmax，它表示了步进电动 机承受负载的能力，是步进电动机最主要的性能指标之一。
1) 矩角特性 • 静止时若有外部转矩作用于转轴上，迫使转
子离开初始平衡位置而偏转，转子偏离初始 平衡位置的电角度称为失调角θ • 转子会产生反应转矩，也称静态转矩
过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁场在
空间旋转了360°而转子转过90°(一个齿距角)。
单三拍工作方式特点
三相绕组中每次只有一相通电、一个循环 周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。 （1）一个电脉冲，转子转过 30
到左图所示位置：1、3齿与A、
A′极对齐。
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
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。
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。
• 步距角却因拍数增加1倍而减小到齿距
角的1/6， 即S= 15°。
各种工作方式特点归纳
（1）拍数为N，相数为m 时
若单拍运行，则拍数N=m； 若单双拍运行，则N=2m。 （2）经过一个通电循环，转子转过1个齿。
电机转速（）：
n 60 f Zr N
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：
θ = ±π 这个位置是不稳定的，两个不稳定点之间的区域构 成静态稳定区。
电磁转矩的最大值称为最大静态转矩Tmax，它表示了步进电动 机承受负载的能力，是步进电动机最主要的性能指标之一。
1) 矩角特性 • 静止时若有外部转矩作用于转轴上，迫使转
子离开初始平衡位置而偏转，转子偏离初始 平衡位置的电角度称为失调角θ • 转子会产生反应转矩，也称静态转矩
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1. 传统步进电机控制系统（硬件环形分配器控制）
转子轴
变频信号源 环形分配器 功率放大器 步进电机
负载
方向
2. 典型微机控制步进电机系统
CPU 并行接口 功放
转子轴
步进电机
负载
精品课件
12
8031
+27V
1K
A
B
C
1K 15Ω
1K 15Ω
15Ω
图-A 单片机步进电机控制系统
精品课件
13
脉冲信号的形成:
电，步进电机的转子又顺时针转过3度。
精品课件
6
再走一步：由仅C相激磁绕组通电转换为仅A相激磁绕组通电， 步进电机的转子又顺时针转过了3度。
从仅A相激磁绕组通电转换为仅B相激磁绕组通电，又从
仅B相激磁绕组通电转换为仅C相激磁绕组通电，又从仅C相
激磁绕组通电转换为仅A相激磁绕组通电，这个改变通电状
态的过程记为:
走一步：当由仅A相激磁绕组通电转换为仅B相激磁绕组通电 时，在B-B’极靴上形成了N-S极，在这个磁场作用 下，转子小齿要与B相定子小齿对齐，这时步进电 转子就顺时针转了3度，我们称转过的3度为步进电 机走了一步，这一步转的角度称为步距角，即步距 角为3度。
再走一步：由仅B相激磁绕组通电转换为仅C相激磁绕组通
2. 控制步进电机的转速，就是控制两个相邻通电状态之 间的时间间隔。
3. 要步进电机走多少步，就是要改变多少次通电状态。
4. 不改变通电状态，步进电机就处于静止状态，此时功 耗也最大，输出转矩也最大。
掌握以上几点，对于如何实现对步进电机的控制是至关
重要的
精品课件
11
§5 步进电机控制系统
（以3相步进电机为例）
步距角： z/N36 /N 0 Z
n60f /Z
精品课件
8
§3 步进电机的工作方式
3、4、5、6相步进电机均可工作在以下三种工作方式下:
(1)单相通电 (2)双相通电 (3)单双相交叉通电
*工作方式与步距角、转子轴上的输出转矩有关。
3相步进电机的三种工作方式下定子绕组的通电顺序:
单相单三拍:
A
B
C
那么B相定子的小齿是否能与转子的小齿对齐呢?
那么C相定子的小齿是否能与转子的小齿对齐呢? 回答是否定的
精品课件
5
以与A相A极靴上中心齿对齐的转子小齿为0号齿，那么顺 时针方向转子的13号小齿的中心线与B相B极靴的中心线即B极 靴中心小齿的中心线相差3度，C相C极靴的中心线即C极靴中 心小齿的中心线与转子的26号小齿的中心线相差6度。
POP A
RET
精品课件
DELAY1:MOV A，#data 1T
LOOP; DEC A
1T
JNZ LOOP
2T
RET
2T
延时时间:
ts=[3+(2+1)*data]*T
T:机器周期
14
单片微机控制步进电机系统原理图
单
并驱
片
行动 接电
机
口路
步 进 转子轴带 电 动负载转动 机
单片机控制三相步进电机系统原理框图
第五章 步进电机控制
• 步进电机的结构 • 步进电机的工作原理 • 步进电机的工作方式 • 步进电机的控制要点 • 步进电机控制系统 • 步进电机升降速控制
精品课件
1
步进电机是工业生产过程控制，数字程序控制(数控机床) 计算机外部设备，控制仪表等常用的控制部件。
应用: 1. 工业生产过程控制:执行元件(增量PID)。 2. 数字程序控制:各座标方向的驱动电机(数控车床、数控铣
• 转子圆周上均匀分布40个小齿，相邻小齿的中心线的夹角 亦为9度。
精品课件
4
§2 步进电机的工作原理
问题:
1. 步进电机是如何转起来的？
2. 步进电机为什么称之为步进电机？
3. 何谓步距角？步距角大小与什么有关？
以S-BJ3为例来说明以上一些问题
初始状态：A相激磁绕组通电，而B相激磁绕组、C相激磁绕组 不通电。在A相激磁绕组在A一A’极靴上形成N一S 极，在这个磁场的作用下转子的小齿就会与A相磁 极上的小齿一一对齐。
软件产生脉冲信号:先输出高电平，然后延时。再输出低 电平，然后延时。以上过程循环，脉冲频率由步进电机 的工作频率决定。
例:PULSE1:MOV R3，#N
PUSH A
LOOP0: MOV P1，#0FFH
ACALL DELAY1
MOV P1，#00H
ACALL DELAY1
DJNZ R3，LOOP0
• 由定子、转子两大部分 构成(均为铁磁材料)。
• 定子上有激磁绕组(线圈)
• 定子上有3对磁极A一 A’，B一B’，C一C’， 它们各自的激磁绕组分 别称为A相绕组、B相绕 组、C相绕组
精品课件
3
• 定子突出的部分称为极靴，A、B、C极靴中心线的夹角为 120度，每个极靴上铣有5个小齿，每个相邻的小齿的中心 线的夹角为9度。
A
B
C
1) 如果这个过程连续下来，步进电机的转子将会如何呢?
2) 如果这个过程中，从一种通电状态转换为另一种通电状态 的时间间隔很短，步进电机的转子又将如何呢?
3) 如果要步进电机的转子逆时针转动又应如何改变通电状态 呢?
精品课件
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齿距角： z2/Z36 /Z 0
N拍可使转子转动一个 齿距位置
一拍一次步进
双相三拍:
AB
BC
CA
精品课件
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单双相交叉六拍: A AB B BC C CA
问题：
以S-BJ3为例 三种工作方式下的步距角分别为多少度呢?
z/N36 /N 0 Z
精品课件
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§4 步进电机的控制要点
1. 控制步进电机，就是要按一定的工作方式按一定的顺 序改变通电状态（步距角，方向，转子轴上的输出转 矩）。
精品课件
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§6 步进电机升降速控制
为什么要对步进电机实施升降速的控制呢？
这是因为在应用步进电机作为其各个坐标方向的驱动电 机的数控系统或其它系统中，当需要在某个坐标方向上运行较长 距离时，例如数控机床在退刀、换刀时，为了提高工作效率总是 希望步进电机以尽可能快的速度运转，但由于机械的惯性和电的 惯性，步进电机不可能从静止不失步地立即以较高的速度运转， 停止时亦不能从很高的速度不超步（滑步）的嘎然而止。（一般 步进电机在轴上带有负载时，不失步的启动频率为每秒几十步~ 几百步，不超步的嘎然而止的频率亦为每秒几十步~ 几百步）。 由于以上的原因，所以在启动时应逐渐地升速达到一个较高的速 度，然后以这个较高的速度恒速运行较长的距离，在停止前逐渐 降速，从而以低速不超步地停止。
床、数控加工中心、数机，打印机打印头驱
动电机。
分类: • 按运动方式分:(1)旋转式 。(2)直线式。 • 按定子磁极对数分:3、4、5、6相步进电机。
特点:快速启停, 精确定位、低速输出转矩大、易于控制。
精品课件
2
§1 步进电机的结构
3相旋转式步进电机的结构(S一BJ3的结构)