第十三章--步进电动机传动控制系统
机电传动控制课程指导书
《机电传动控制》课程学习指导书课程学习方法指导《机电传动控制》是机械类、机械电子工程（机电一体化）等专业的一门主干技术基础课。
本课程的先修课程主要有电路、模拟电子技术、数字电子技术等。
本课程学习的基本要求是：（1）了解机电传动控制系统的组成，掌握机电传动的基本规律；（2）掌握常用电机、电器、晶闸管及其基本电路的基本工作原理、主要特性，了解其应用与选用；（3）掌握继电器-接触器控制、可编程控制器的基本工作原理，学会用它们来实现生产过程的自动控制；（4）学会分析机电传动控制系统的基本方法。
本课程学习时，首先要了解问题是如何提出的，特别是注意对基本物理概念、基本工作原理、基本公式的理解和掌握，学会分析问题的方法和思路，注意各个部分内容之间的联系，了解其应用；而后做课程指导书中的相关自测题目，用以检验对所学内容的掌握程度；同时应合理安排学习时间，按照计划阅读教材，提高学习效率。
课程学习进度安排本课程学习时建议每周完成3～4个学时。
并认真阅读本课程指导书、完成相关自测题目。
具体进度可参照下列学时分配进行第一章概述(1学时)第二章机电传动系统的动力学基础(3学时)第三章直流电机的工作原理及特性(5学时)第四章交流电动机的工作原理及特性(6学时)第五章继电器—接触器控制系统(4学时)第六章可编程序控制器PLC(5学时)第七章电力电子学—晶闸管及其基本电路(5学时)第八章步进电动机传动控制系统(3学时)课程学习课时分配第一章概述(1学时)1) 机电传动的目的和任务2) 机电传动及其控制系统的发展概况3) 课程的性质、任务及其总体安排第二章机电传动系统的动力学基础(3学时)1) 机电传动系统的运动方程式2) 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算3) 生产机械的机械特性4) 机电传动系统稳定运行的条件第三章直流电机的工作原理及特性(5学时)1) 直流电机的基本结构和工作原理2) 直流发电机3) 直流电动机的机械特性4) 直流他励电动机的启动、调速、制动特性第五章交流电动机的工作原理及特性(6学时)1) 三相异步电动机的结构和工作原理2) 三相异步电动机的定子电路和转子电路3) 三相异步电动机的转距与机械特性4) 三相异步电动机的启动、调速、制动特性5) 单相异步电动机6) 同步电动机的工作原理、特点及应用第八章继电器—接触器控制系统(4学时)1) 常用控制电器与执行电器2) 继电器—接触器控制的常用基本线路3) 继电器—接触器控制线路举例及设计简介第九章可编程序控制器PLC(5学时)1) 可编程序控制器的基本结构、工作原理和主要特点2) 可编程序控制器的内部等效继电器电路3) 可编程序控制器的编程和指令系统4) 可编程序控制器的应用第十章电力电子学—晶闸管及其基本电路(5学时)1) 电力半导体器件2) 单相可控整流电路3) 三相可控整流电路4) 逆变器第十二章步进电动机传动控制系统(3学时)1) 步进电动机2) 步进电动机的计算机控制3) 步进电动机的驱动电路第一章绪论（略）第二章机电传动系统的动力学基础2.1 本章学习目标1．理解多轴拖动系统中转矩和转动惯量的折算，了解集中典型的生产机械的机械特性；2．熟练掌握机电传动系统的运行方程式，转矩和转动惯量的折算原则，机电传动系统稳定运行的条件；3．能运用机电传动系统稳定运行的条件，分析和判别系统的稳定平衡点。
步进电机及其控制系统课件
用于检测步进电机的位置和速度，常见的传感器有光电编码器 和霍尔传感器等。
控制系统的实现方式
硬件实现
01
通过硬件电路实现控制系统的功能，一般适用于简单
的控制系统。
软件实现
02 通过编写程序实现控制系统的功能，一般适用于复杂
的控制系统。
混合实现
03
将硬件和软件结合起来实现控制系统的功能，一般适
技术挑战
随着应用场景的不断复杂化，对步进电机的性能和技术要求也越来越高。如何提高步进电机的性能和技术水平，是当 前亟待解决的问题。
应用前景展望
随着技术的不断进步和应用场景的不断扩展，步进电机在生产线上的应用前景非常广阔。未来，步进电 机将成为实现自动化生产的重要基础元件之一。
步进电机的调试与
05
维护
步进电机的调试方法
确定定步进电机的控制信号和所需脉冲数。
调整脉冲频率和方向
02
根据电机型号和应用需求，调整脉冲频率和方向，以获得最佳
运动效果。
校准位置检测器
03
对准位置检测器与步进电机之间的相对位置，以确保准确控制
。
步进电机的维护周期与内容
日常检查
每天检查步进电机是否有异常声音、振动或气 味。
点。
步进电机的特点
步进电机具有体积小、重量轻、控制精度 高等特点。
应用场景
在生产线上的分拣环节，步进电机作为驱 动源，控制分拣装置的移动和定位，实现 快速、准确的产品分拣。
步进电机在生产线上的应用前景
发展趋势
随着工业自动化的不断发展，步进电机在生产线上的应用将更加广泛。未来，步进电机将朝着控制精度更高、响应速 度更快、可靠性更高的方向发展。
机电传动控制重点内容总结
机电传动控制重点内容总结概述机电传动控制的目的与任务机电系统的组成电力拖动电气控制系统机械机电传动控制的任务将电能转换为机械能实现生产机械的启动、停止以及速度的调节完成各种生产工艺过程的要求保证生产过程的正常进行机电传动控制的目的第二章机电传动系统的运动学基础单轴拖动系统的运动方程式单轴拖动系统的运动方程式TM TL J d 2 dn J dt 60 dt 转动惯量和飞轮转矩的折算几种常见的负载特性恒转矩负载，离心式通风机型负载，直线型负载恒功率负载机电系统稳定运行的条件和判定方法第三章直流电机的工作原理及特性直流电机的基本结构和工作原理基本结构定子转子换向器工作原理发电机原理电动机原理电动势的大小和方向电磁转矩的大小和方向E K e nTM K m I a 直流他励电动机的机械特性机械特性的一般形式Ra U n Ia K e K e Ra U n T 2 K e K e K M 固有机械特性人为机械特性Ra U n T 2 K e K e K MU E I a RaP T 9.55 n PE K e n TM K m I a直流他励电动机的启动特性电动机固有的启动特性启动电流大启动转矩大启动方法电枢串电阻启动的方法启动电阻的选择直流他励电动机的调速特性调速方法特点电枢串电阻恒转矩调速特性电枢外加电压恒功率调速特性励磁磁通直流他励电动机的制动特性反馈制动产生的原因、制动过程与特点反接制动产生的原因、制动过程与特点能耗制动作用与特点第四章过渡过程过渡过程分析机电时间常数加快过渡过程的方法第五章交流电动机的工作原理及特性三相交流电动机的基本结构和工作原理基本结构定子转子工作原理旋转磁场的旋转速度旋转磁场的旋转方向转子的旋转速度三相交流电动机的额定参数定子绕组的连接方法额定参数连接方法的选用60 f n0 pn0 n S n0三相交流电动机的转矩特性与机械特性60 f n0 p S R2 n0 nm m X n0 20 U2 Tmax K 2 X 20 R2U 2 Tst K 2 2 R2 X 20 T max TN K 1 / f , X f 20三相交流电动机的启动、制动和调速特性固有启动特性启动方法调速方法与特点制动方法与特性单相交流电动机结构特点启动方法同步交流电动机结构特点特性启动方法第六章控制电机交直流伺服电机的工作原理如何消除自传现象第八章继电器接触器控制系统常用电器工作原理与使用场合接触器热继电器电流继电器电压继电器熔断器基本电路的分析与设计按钮、行程开关等继电器接触器电路的组成常用电动机控制电路按时间原则控制的电路按行程原则控制的电路按电流原则控制的电路按速度原则控制的电路各种保护第十三章步进电动机控制系统步进电动机的结构与工作原理齿数、相数通电方式步距角主要特性第十四章电机的选择电机容量的选择原则电机的发热和冷却不同工作制下电机容量的选择等效功率，力矩的折算电机种类，电压，转速，结构的选择。
第13章 步进电动机传动控制系统
第13章步进电动机传动控制系统教学内容13.1 步进电动机13.2 步进电动机的环形分配器13.3 步进电动机的驱动电路13.4 步进电动机的运行特性及选用中应注意的问题教学安排本章安排2个学时，采用多媒体授课。
知识点及其基本要求1．掌握步进电动机步矩角和步进电动机转速的数学表达式及其物理意义；2．掌握步进电动机的结构、运行特性及影响因素。
重点和难点重点掌握步进电动机的通电方式和主要性能指标。
难点步进电动机的矩角特性和矩频特性。
教学设计1.了解步进电动机的结构和工作原理，掌握步进电动机的通电方式和求解步距角与转速的公式。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的机电执行元件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
(1)步进电动机的结构右图所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图，定子有6个磁极，每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组。
转子上装有四个凸齿。
图13-1 步进电动机结构图（2）步进电动机的基本工作原理步进电机的工作原理同电磁铁的工作原理，磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的特点。
图13-2 三相反应式步进电动机的工作原理图通电顺序A-B-C-A，转子便按顺时针方向一步步转动。
每换接一次，转子前进一个步距角。
通电顺序改为A-C-B-A便可反向旋转。
（3）步进电机的通电方式三相单三拍通电顺序：A-B-C-A或A-C-B-A，步距角30度（齿距90度）特点：每次只有一相控制绕组通电吸引转子，易引起在平衡位置振荡，稳定性差，绕组通电换极时易失步。
双三拍通电顺序：AB-BC-CA-AB或反过来，步距角30度（齿距90度）特点：始终有两相通电，感应力矩大，静态误差小，定位精度高，工作稳定，不易失步。
三相六拍通电顺序：A-AB-B-BC-C-CA-A步，距角15度（齿距90度）或A-AB-B-BC-C-CA-A特点：单、双相轮流通电，通电状态增加一倍、步距角减少一半，但具有双三拍的特点。
机电传动控制重点
第一章概述了解机电传动控制系统的发展概况。
第二章机电传动系统的动力学基础【重点内容】运动方程式及其含义；多轴拖动系统中转矩折算；机电传动系统稳定运行的条件;分析系统的稳定平衡点.【难点】机电传动系统稳定运行的条件；分析系统的稳定平衡点.第三章直流电机的工作原理及特性【重点内容】直流电动机的机械特性；启动,调速,制动的各种方法；启动，调速,制动的各种方法的优缺点和应用场所。
【难点】启动，调速,制动的各种方法。
第四章机电传动系统的过渡过程【基本内容】在了解过渡过程产生的原因和研究过渡过程的实际意义的基础上,掌握机电传动系统在启动，制动过程中转速，转矩和电流的变化规律，掌握机电时间常数的物理意义以及缩短过渡过程的途径.【重点内容】掌握机电时间常数的物理意义以及缩短过渡过程的途径.第五章交流电动机的工作原理及特性【重点内容】1.异步电动机的工作原理，基本结构，旋转磁场的产生;2。
异步电动机的机械特性;3.异步电动机的启动，调速和制动的方法（与直流电动机进行比较）；4。
学会用机械特性的四个象限来分析异步电动机的运行状态;5。
掌握单相异步电动机的启动方法和工作原理;6。
了解同步电动机的结构特点，工作原理,运行特性及启动方法;7。
掌握各种异步电动机和同步电动机的使用场所.【难点】异步电动机的旋转磁场的产生；分析异步电动机的运行状态;异步电动机的启动,调速和制动的方法.第六章控制电机了解机电传动控制系统中一些常用的控制电机种类，名称，结构等。
【重点内容】掌握各种控制电机的基本工作原理,主要运行特性及特点.第七章机电传动控制系统中电动机的选择【一般要求】在了解电动机的发热与冷却规律的基础上,重点掌握电动机容量的选择,并熟悉电动机的种类,电压,转速和结构型式的选择原则.【重点内容】重点掌握电动机容量的选择原则及方法，可以通过统计法或类比法进行选择.第八章继电器—接触器控制系统【一般要求】在熟悉各种控制电器的工作原理，作用,特点表示符号和应用场所的基础上,着重掌握继电器—接触器控制线路中基本控制环节的构成和工作原理，学会分析较复杂的控制线路,并通过训练学会设计一些较简单控制线路.【重点内容】结合书中内容及附录1，附录2，掌握各电器符号及标准;掌握基本线路的分析设计,提高改错能力；掌握机床启动,正反转,制动，保护等主电路及控制线路的设计.第九章可编程序控制器【一般要求】在了解可编程序控制器的基本组成，工作原理，特点和用途的基础上，重点掌握F 系列中小型可编程序控制器的指令系统和编程方法以及应用实例。
机电传动控制复习总结
本章学习内容
• 5.1 三相异步电动机的结构和工作原理 • 5.2 三相异步电动机的定子和转子电路 • 5.3 三相异步电动机的转矩与机械特性
• 5.4 三相异步电动机的启动 • 5.5 三相异步电动机的调速 • 5.6 三相异步电动机的制动
• 5.7 单相异步电动机 • 5.8 同步电动机的工作原理、特点及应用
第五章 交流电动机的工原理及特性
基本要求 了解异步电动机的基本结构和旋转磁场的产生；
掌握异步电动机的工作原理，机械特性，以及启动、 调速及制动的各种方法、特点与应用：
掌握单相异步电动机的工作原理和启动方法：
了解同步电动机的结构特点、工作原理、运行特性及 启动方法。
重点
掌握异步电动机的人为机械特性，因为它是分析异 步电动机启动、调速、制动工作状态的依据；
全压启动和降压启动 3. 三相鼠笼式异步电动机的降压启动方法有（）、（）和（）
定子串电阻，星形-三角形，自耦变压器。 4.三相鼠笼式异步电动机的调速法有（ ），（ ）和（ ）
变极调速，变转差率调速和变频调速
5.三相鼠笼式异步电动机的制动方式有（ ），（ ）和（ ）
反馈制动，反接制动和能耗制动
6.单相异步电动机为什么没有启动转矩？常采用哪些启动方法？ 因单相交流电产生脉动磁场，不产生旋转磁场， 所以起动转矩为0，常采用电容分相式和罩极式两种启动方法。
• 14.1 电动机容量选择的原则 • 14.2 电动机的发热与冷却 • 14.3 不同工作制下电动机容量的选择 • 14.6 电动机的种类、电压、转速和结构
型式的选择
第十四章 机电传动控制系统中电动机的选择
基本要求 1.了解电动机的容量选择应该考虑哪些因素
2.掌握三种工作制下的电动机容量的选择，特别 注意电动机运行时的允许温度、过载能力和启 动能力；
步进电动机传动控制系统课件
快速性
控制系统应具有快速的响应能 力，能够快速跟踪输入指令的 变化，并快速调整步进电动机 的转动。
可靠性
控制系统应具有较高的可靠性 ，能够长时间稳定运行，并具
有较强的抗干扰能力。
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
03
步进电动机传动控制系 统的应用
在自动化生产线中的应用
REPORT
CATALБайду номын сангаасG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
04
步进电动机传动控制系 统的优化与改进
控制算法的优化
总结词
控制算法的优化是提高步进电动机传动控制系统性能的关键。
详细描述
通过改进控制算法，如采用更精确的模型、引入智能控制策略等，可 以有效提高步进电动机的定位精度、速度控制和动态响应性能。
控制器
根据输入的指令或算法，输出相应的脉冲信 号给驱动器，控制步进电动机的转动。
传感器
用于检测步进电动机的位置、速度等参数， 并将检测结果反馈给控制器。
步进电动机传动控制系统的控制方式
开环控制
半闭环控制
通过控制器输出脉冲信号控制步进电 动机转动，不进行位置反馈控制。
介于开环控制和闭环控制之间的一种 控制方式，通过传感器检测电机轴上 的某些参数，间接反映位置信息，进 行控制。
闭环控制
在开环控制的基础上，增加位置传感 器对步进电动机的位置进行实时检测 ，并将检测结果反馈给控制器，实现 位置的精确控制。
步进电动机传动控制系统的设计原则
稳定性
控制系统应具有良好的稳定性 ，避免因外部干扰或系统内部 参数变化而产生振荡或失控。
第十三章 步进电动机控制系统PPT课件
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写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
第十三章 步进电动机 控制系统
主讲 钱宏琦 2015.6
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第十三章步进电动机传动控制系统
13.1、通过分析步进电动机的工作原理和通电方式，可得出哪几点结论？
答：步进电动机的位移量与输入脉冲数严格成正比，这就不会引起误差的积累，其转速与脉冲频率和步矩角有关。
控制输入脉冲数量、频率及电动机各组的接通次序，可以得到各种需要的运行特征。
13.2、步进电动机的运行特性与输入脉冲频率有什么关系？
答：当脉冲信号频率很低时，控制脉冲以矩形波输入，电流比较接近于理想的矩形波。
如果脉冲信号频率增高，由于电动机绕组中的电感有阻止电流变化的作用，因此电流波形发生畸变。
如果脉冲频率很高，则电流还来不及上升到稳定值就开始下降，于是，电流的幅值降低，因而产生的转矩减小，致使带负载的能力下降。
故频率过高会使步进电动机启动不了或运行时失步而停下。
因此，对脉冲信号频率是有限制的。
13.3、列出三相六拍环形分配器的反向环形分配表。
答：反向环形分配表如下。
13.4、试修改环形分配器子程序，以实现步进电动机的反向运转。
答：反转子程序如下：
HXFB ：LD A，B
CP A，03H
JR Z，DYY
INC A
JR ROUT
DYY: LD A，00H
ROUT: LD L，A
L，00H
LD
ADD HL，K
LD A，(HL)
OUT (PIODRA) ，A
RET
13.5 、步进电动机对驱动电路有何要求？常用驱动电路有什么类型？各有什么特点？
答：步进电动机的驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。
由于功率放大输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大电路的性能对步进电动机的运行性能有很大的影响。
因此，对驱动电路要求的核心问题是如何提高步进电动机的快速性和平稳性。
常用的驱动电路类型有：1、单电压限流型驱动电路。
电阻R 上有功率消耗。
为了提高快速性，需要加大R 的阻值，随着阻值的加大，电源的电压也势必提高，功率消耗也进一步加大，正因为这样，此电路使用受到限制。
2 、高低压切换型驱动电路。
优点是功耗小，启动力矩大，突跳频率和工作频率高。
缺点是大功率管的数量要多一倍，增加
了驱动电源。
13.6 、使用步进电动机需注意哪些主要问题？
答：（1 ）驱动电源的优劣对步进电动机控制系统的运行影响极大，使用时要特别注意，需根据运行要求，尽量采用先进的驱动电源，以满足步进电动机的运行性能。
（2 ）若所带负载转动惯量较大，则应在低频下启动，然后再上升到工作频率，停车时也应从工作频率下降到适当频率再停车。
（3）在工作过程中，应尽量避免由于负载突变而引起误差。
（4 ）若在工作过程中发生失步现象，首先应检查负载是否过大，电源电压是否正常，再检查驱动电源输出波形是否正常，在处理问题时不应随便更换元件。
13.7 、步进电动机的步距角之含义是什么？一台步进电动机可以有两个步距角，例如，
3°/1.5 °，这是什么意思？什么是单三拍、单双六拍和双三拍？答：每当输入一个电脉冲时，电动机转过的一个固定的角度称为步矩角。
一台步进电动机有两个步矩角，说明它有两种通电方式，3°的意思是相邻两次通电的相的数目相同时的步矩角，1.5 °的意思是相邻两次通电的相的数目不同时的步矩角。
单三拍：每次只有一相绕组通电，而每个循环只有三次通电。
单双六拍：第一次通电有一相绕组通电，然后下一次有两相通电，这样交替循环运行，而每次循环只有六次通电。
双三拍：每次有两相绕组通电，每个循环有三次通电。
13.8 、一台五相反应式步进电动机，采用五相十拍运行方式时，步距角为1.5 °，若脉冲电
源的频率为3000Hz ，试问转速是多少？
解：步进电动机的转速为：n= 3^0=6（5*3000*60/360= 750r/min
13.9、一台五相反应式步进电动机，其步距角为1.5 70.75 °试问该电机的转子齿数是多少?
解：因为步矩角3 =360/ZKm
所以Z=360/ (Km 3 )=360/(1*5*0.5)= 48
即电机的转子齿数是48。
13.10、步距角小、最大静转矩大的步进电动机，为什么启动频率和运行频率高？
答：根据转速公式n= 3 f*60/2 可知，f=n n / 3 *30。
所以步矩越小运行频率f就越高, 启动频率相应地也高。
在负载转矩一定的情况下，最大静转矩越大，电流的幅值越大，高频虽然会造成电动机的启动转矩减小，但仍可能大于负载转矩。
因此最大静转矩大的步进电动机，启动频率和运行频率越高。
13.11、负载转矩和转动惯量对步进电动机的启动频率和运行频率有什么影响?
答:负载转矩和转动惯量越大，步进电动机的启动频率和运行频率
越低。
矩频特性如右图所示。
f/Hz。