步进电机及其工作原理

制作：张津
2 1
C
B
C
B
° 30
单段反应式步进电机的工作原理 —— 四转子齿
定子通电顺序： A→B→C→A 转子旋转方向： 逆时针 步距角：
B A
A
B
1 4 3
1 4 3 A
30°
2
2
θb = 30°
30°
C
1 2
A
2 1 4 3
B
4
3
C
C
A
制作：张津
单段反应式步进电机的工作原理 —— 四转子齿
制作：张津
环行分配器
将插补器的单序列脉冲转换为步进电机需要的多序列 脉冲的装置叫环行分配器。 环行分配器可以由硬件构成也可以由软件构成。
制作：张津
环行分配器的工作原理
硬件环行分配器的基本构成是触发器。因为步进电机有 几相就需要几个序列脉冲，所以步进电机有几相，就要设置 几个触发器。每个触发器发出的脉冲就是一个序列脉冲，用 来控制步进电机某相定子绕组的通、断电。 触发器工作的同步信号就是来自插补器的某个坐标轴的 位移驱动信号Δx或Δy。
步进电机及其工作原理
制作：张津
步进电机外形结构
常见步进电机外形构造
制作：张津
步进电机内部结构
制作：张津
步进电机内部结构
步进电机的内部构造
制作：张津

步进电机分类
按照力矩产生原理分类 —— 激磁式 反应式 混合式 按照定子数目分类 —— 单定子 双定子 多定子 按照定子励磁相数分类 —— 三相 四相 五相 六相 按照各相绕组的分布规律分类 —— 径向分相 (垂轴式) 轴向分相 (顺轴式)
♠ 控制步进电机定子绕组的通电顺序可以控制步进电机的转动 方向
制作：张津
步进电机的驱动控制
制作：张津
步进电机的驱动控制
进给 脉冲 混合 电路 加减 脉冲 分配 电路 加减 速 电路 环形 分配 器 功率 至步进 放大 电机绕阻 器
脉冲
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
B
B
A
A
B
C
C
2 1
B
3 0°
C
1 2
B
A
30
°
1
C
C
B
C
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→AC→C→CB→B→BA→A 转子旋转方向：逆时针 步距角： θb = 30°
30 °
A
A C
A
C
1
1 2
A
B
1
2
C
C
2 A
A
A C 1 2 B
1
2
B
C
30° B
B
A
4
1 2
4 3
B
1 3 2
2
C
B
B
A
制作：张津
步距角：
步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过 A 的角度称步距角。 ♠ 转子齿数越多，步距角 θb 越小 ♠ 定子相数越多，步距角 θb 越小 ♠ 通电方式的节拍越多，步距角 θb 越小
1
2 A
A 1 2
360 ° θb = m* Z * C
制作：张津
单段反应式步进电机的工作原理 —— 节拍运动动画
A 1
A 1 4 2 3 A
步进电机节拍运动动画
2 A
制作：张津
步距角：
步进电机的定子绕组每改变一次通电状态， 转子转过的角度称步距角。
制作：张津
单段反应式步进电机的工作原理 —— 定子的通电方式
单相轮流通电（M相单M拍）
顺时针轮回
逆时针轮回
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 将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制步进电 机定子绕阻通、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数 及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。 5. 功率放大器 将环形分配器输出的mA级电流进行功率放大，一般由 前置放大器和功率放大器组成。
1 2
A B
1 2
A
B
C
B
步距角：
60
θb = 60°
A
°
A
2 1
C
1 2
B
C
B
B
C
B
60 °
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 转子旋转方向： 顺时针 步距角：θb = 30°
30°
A 1
A
1 2
A
° 30
B
1 2
B
2 A
A
2
3
C
θb = 30°
°
A
2
3
1
1
2 4 3
A
B
C
2
AB→BC→CA→AB
1
B
C
B
B
4
B
C
C
制作：张津
A
单段反应式步进电机的工作原理 ——四转子齿
定子通电顺序： BA→AC→CB→BA 转子旋转方向： 顺时针 步距角：
4
A
1 2 3
A
B
30°
B
C
1 4 2 3
A
A
B
C
A
A C B
C
θb = 30°
B
定子通电顺序：
A
1 2
A
B
60 °
AB→BC→CA→AB
转子旋转方向：
B
C
1 2
B
B
A
C
顺时针 步距角：
A
A
60°
制作：张津
60°
B
C
1
2
θb = 60°
1
A B C
A B
2
C
单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿
定子通电顺序： BA→AC→CB→BA 转子旋转方向： 逆时针
A C 60° A
△A △B △C
QA R CP
△X 复位
QA S DA R
QB CP
QB S DB R
QC CP
QC S DC
制作：张津
环行分配器的工作原理 三相单三拍工作方式：A→B→C→A 当QA有输出ΔA，就使步进电机的A相通电， 当QB有输出ΔB，就使步进电机的B相通电， 当QC有输出ΔC，就使步进电机的C相通电。 输出波形如下
式中：m －定子相数 4 3 Z － 转子齿数 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：
360 ° 360 ° θb = 3 (1.5 ) ° ° m* Z * C 3* 40* 1(2)
A相各齿对齐时,B相转子齿错位3°
A
50° 47°
C
B
B A
C
制作：张津
步进电机展开结构
制作：张津
实际步进电机转动的模拟
制作：张津
结论
♠ 控制输入给步进电机的脉冲数目可以控制步进电机的角位移
Φ = N θb
♠ 控制输入给步进电机的脉冲的频率可以控制步进电机的转速
360 ° 60 f 60 f θb mZC 60f n= = 360 ° 360 ° mZC
C
C
1
3
1
4
4
3
2
C
C
B
C
A
制作：张津
单段反应式步进电机的工作原理 —— 四转子齿
定子通电顺序： A→AC→C→CB→B→BA→A 转子旋转方向： 顺时针 步距角： θb = 15°
A C
15 °
1
15°
A C
4 1 2
A
B
4
4 3
1 2 3 A
2
C
3
C
A
A C B C
15°
B
C
3
A
15° B
1 4
A 1
A B
1 2
2 A
B
A C B 2 A 1 C
θb = 60°
2 1
C
60°
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→C→B→A 转子旋转方向： 逆时针 步距角：
C A
A 1
1 2
C
2 A
A
1
60°
2
B
B
60 °
A
制作：张津
1
2
θb = 60°
C
B
单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿
五相步进电机：
360 ° 360 ° θb = 1.5 (0.75 ) ° ° m* Z * C 5* 48* 1(2)
制作：张津
转子转动的原因分析
A 1
A 1 4 2 3 A
2 A
制作：张津
转子转动的原因分析
A C B
B A
C
制作：张津
步进电机的实际结构
C
B
B A
C