第五章 步进电机

图5-4 三相反应式步进电动机的结构原理图
2. 反应式步进电动机的工作原理


三相单三拍通电方式（图5-5）
三相单、双六拍通电方式（图5-6） 不同通电方式步距角的关系
双极通电方式的稳定性比单极要好 ； 单、双六拍通电方式时的步距角比单拍 通电方式减小一半。
(a) (b) (c) 图5-5 三相反应式步进电动机的工作原理图
控制系统对的基本要求 在电脉冲的控制下，步进电动机 能迅速起动、正反转、制动和停车， 调速范围宽广； 步进电动机的步距角要小，步距 精度要高，不丢步不越步；
工作频率高、响应速度快。
“脉冲分配器”按给定规律分配输入脉冲。对于三相步进
电动机，分配器是一路输入，三路输出。三相单三拍运 行时，第一个电脉冲分给A相；第二个电脉冲分给B 相；第三个电脉冲分给C相，完成一个循环。
3. 优点：结构简单、维护方便、精确度高、起 动灵敏、停车准确。控制输入脉冲的输入 方式和参数可实现连续调速，且可获得较 宽的调速范围。 4. 适用场合：近20年来，步进电动机广泛应用 于数字控制系统中，如数控机床、绘图仪、 计算机外围设备、自动记录仪、钟表和数 －模转换装臵中。 5. 缺点：效率低、特殊电源、带载能力不强。
第五章 步进电动机 (stepping motor)
本章内容：
§5-1 概述 §5-2 反应式步进电机的工作原理 §5-3 反应式步进电机的运行特性 §5-4 驱动电源 §5-5 平面电机

§5-1 概述
1. 定义：步进电动机是一种用电脉冲信号 进行控制，并将电脉冲信号转换成相应 的角位移或线位移的控制电机。 给一个脉冲信号，电动机前进一步，因 此称为步进电动机。 1. 特点：控制信号：脉冲信号；运动方式： 步进。而且角位移量或线位移量与电脉 冲数成正比；电机的转速或线速度与脉 冲频率成正比。
110BF003N
3
0.75/1.5
80-300
6
8
1500
15000
110BC380C
3
0.75/1.5
80-300
6
10
1500
15000
130BC3100B
3
0.6/1.2
80-300
10
18
1500
15000
130BC3100A
3
0.6/1.2
80-300
10
20
1500
15000
图5-2 永磁式步进电动机
高压、小电 流系列适用 于高速场合
MS3H110M
德国百格拉公司三相混合式步进电机
三相混合式步进电机采用交流伺服原理工作， 定、转子间隙仅为50um，转子和定子的直径比提 高到59%，大大提高了电机工作扭矩，特别是高 速时的工作扭矩。 由于定、转子磁槽数远多于五相和两相混合式， 使其可以按五相和两相混合式步进电机的步数进 行工作。电机的扭矩仅与转速有关，而与电机每 转的步数无关，例如：2Nm电机在每转500步和 10000步，800转/分时的扭矩都是1.75Nm。 百格拉公司的步进电机系统在低速时运行极其 平稳，几乎无共振区，高速时扭矩大，运行特性 类同交流伺服电机，被称为具有交流伺服电机运 行性能的步进电机系统。
步进电动机 stepping motor
二相混合式步进 电机包括： 28#~130#机座， 保持力矩： 0.035Nm~50Nm 五相混合式步进 电机包括： 45#~130#机座， 保持力矩： 0.2Nm~33Nm
图5.3 混合式stepmotor
双极性电流控 制实现两相细 分，最大细分 率256，有过压、 欠压保护功能，
A,C同时通电时的步进运行（步距30°）
(a) (b) (c) 图5-6 单、双六拍运行时的三相反应式步进电动机
步距为15°时的步进运行
分析：上述结构的步进电动机无论采用哪种 通电方式，步距角要么为30º ，要么为15º ， 都太大，无法满足生产中对精度的要求。
实际反应式步进电机结构特点：
采用转子齿数很多、定子磁极上带有小 齿的反应式结构，转子齿距与定子齿距相 同。
种类 反应式 步进电 动机 永磁式 步进电 动机 感应子 式永磁 步进电 动机 型号 结构特点 定子上有多相绕组，定子磁 极和转子上开有小齿，定、 转子铁心可做成单段式或多 段式。 定子上有多相绕组，但定子 磁极上不开小齿，转子用永 久磁钢做成，转子极数与定 子每相的极数相同。 性能特点 齿距角可以做得很小，起 动和运行频率较高。断电 时无定位转矩，需用带电 定位，消耗功率大。 步距角较大，起动和运行 频率较低，需供给正负脉 冲信号，断电时有定位转 矩，消耗功率较小。 步距角小，有较高的起动 和运行频率，消耗功率小， 有定位转矩，兼有以上两 种步进电动机的优点。但 需供给正、负脉冲信号， 结构复杂。
制的角位移的终点位置上。这样，步进电动机
可以实现停转时转子定位。
二、步进电动机的结构和分类
按其运动形式分：有旋转式步进电动机 和直线步进动机两大类 按其工作原理分：反应式、永磁式和永磁感应 子式三类。 （一） 反应式步进电动机 单段式： 又称为径向分相式，它是应用最多 的一种结构形式。通常定子的磁极数为相 数的二倍。
图5-9 多段式轴向磁路反应式步进电动机
1－线圈 2－定子 3－转子 4－引出线
径向磁路多段式：定、转子铁心沿电机轴向按 相数分段，每段定子铁心的磁极上均放臵同 一相控制绕组。定子铁心(或转子铁心)每两 相邻段错开 1/m 齿距。 优点：这种结构对于相数多而直径和长度又有 限制的反应式步进电功机来说，在磁极 的布臵上要比前两种灵活。它的步距角 同样可以做得较小。并使电机的起动和 运行频率较高。 缺点：但铁心段的错位工艺较复杂。
电机型号
空载启 相电流 保持扭 工作扭 转动惯量 动速度 kgcms2 （A） 矩 (Nm) 矩(Nm) （r/s）
重量 kg
VRDM39 7 VRDM39 10 VRDM39 13 VRDM31 117
1.75
2.26
2
5.3
1.1
2.05
2.0
2.25
4.52
6.78
4
6
5.3ห้องสมุดไป่ตู้
5.3
2.2
3.3
反应式步进电动机的转速取决于脉冲频率、 转子齿数和拍数，与电源电压、负载、温 度等因素无关。改变脉冲频率可以改变转 速，故可进行无级调速。 改变通电顺序，可以控制电机转向。
步进电动机具有自锁能力
当控制电脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控 制的绕组继续通入直流电时，则电机转子可以 保持在固定的位置上，即停在最后一个脉冲控
20000 20000 20000 20000 20000
130BYG5501
130BYG5502
0.36/0.72
0.36/0.72
5
5
30-300
30-300
3
3
25
35
7
9.2
13.5
21
2300
2300
20000
18000
三相混合式步进电动机系列
0.8Nm DC(2440)V 0.8Nm 1.2Nm 2.4Nm AC(4060)V 4.0Nm 6.0Nm 4.0Nm AC220V 6.0Nm 8.0Nm AC220V 12.0Nm 20.0Nm 220元 260元 350元 500元 600元 780元 680元 800元 850元 950元 1200元 圆形 MS3H110M 方形 方形 低压、大电 流系列 MS3H090M 57BYG350L适 方形 用于较低速 的场合 MS3H057M
图5-7 小步距角的三相反应式步进电动机
图5-8 三相反应式步进电动机的展开图
某产品定转子的展开图
续2. 反应式步进电动机的工作原理 转子齿数的确定
1 Z r 2 pm K m

步距角：转子前进一步转过的角度叫步距角。
0
360 单或双拍通电方式：C=1 s 单、双拍通电方式：C=2 mZ r C 60 f 转速 n mZ r C
Stepdriver
五相混合式步进电机
型号 90BYG5502 90BYG5503 90BYG5602 90BYG5603 90BYG5802 90BYG5803
步距角 0.36/0.72 0.36/0.72 0.3/0.6 0.3/0.6 0.225/0.4 5 0.225/0.4 5
相 数
5 5 5 5 5 5
5
5 5 5 5 5
30-300
30-300 30-300 30-300 30-300 30-300
3
3 3 3 3 3
10
16 10 16 10 16
10
12 10 12 10 12
11.2
15.8 11.2 15.8 11.2 15.8
2300
2300 2300 2300 2300 2300
20000
图5-10 多段式径向磁路反应式步进电动机
1－线圈 2－定子 3－转子
续二、步进电动机的结构和分类
（二） 永磁式步进电动机 结构：它的定子是凸极式，装设两相或多相绕 组。转子是一对极或多对极的星形永久磁钢。 转子的极数与定子每相的极数相同。 优点：消耗的功率比反应式步近电动机小，又 具有定位转矩。
2500 2500 2500 2500 2500 2500
运行频 率HZ
22000 22000 22000 22000 22000 22000
110BYG5501
110BYG5502 110BYG5601 110BYG5602 110BYG5801 110BYG5802
0.36/0.72
0.36/0.72 0.3/0.6 0.3/0.6 0.225/0.4 5 0.225/0.4 5