第4章 步进电动机运动控制

• 3.什么是保持转矩（HOLDING TORQUE）
• 保持转矩（HOLDING TORQUE）是指步进电机通电但
没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机
最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩
接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的
增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，
所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数
A
B'
4 1 2 3 A'
C'
B
C
A相通电，转子1、3齿和A相对齐。
A、B相同时通电
A
B'
C' B
A'
C
（1）BB' 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。
（2）AA' 磁场继续对1、3齿有拉力。 所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA' 通电，转子转了15°。
B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。
工作原理：假设是单三拍通电工作方式。
（1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 1 120/9 = 13 齿 3 2 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 26 个 3 齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。
式中：Pr 2 / zr 转子齿距 （2n 1） Tsm 最大转矩，发生在 Pr 处 4 e zr 定义为步进电动机的电角度。
• 4.2.2
步距角和转速
• 考虑通电方式后，步进电动机的步距角s由 转子齿距Pr、控制绕组相数m及通电方式（通 电方式系数c）决定：
Pr 3600 s mc mzr c 式中：c为通电方式系数，单拍或双拍时取1，单、双拍交替时取 2。 步距角确定后，通以一定频率f 的脉冲，每秒钟转过的角度为 3600 f s f , 它相应的转速n ( r / min)为 mzr c
60 f n mzr c
• 4.2.3
单脉冲运行特性
A
B'
C' B
A'
C
总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称 为三相六拍，步距角为15。
三、三相双三拍
三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。
A
B'
A C' BB' NhomakorabeaC'
C
A'
C
A'
B
AB通电
BC通电
A
B'
C' B
A'
C
工作方式为三相双三 拍时，每通入一个电 脉冲，转子也是转 30，即 S = 30。
工作方式
步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单 双六拍、三相双三拍等。
一、三相单三拍
（1）三相绕组联接方式：Y 型
（2）三相绕组中的通电顺序为：
A相 B相 C相
通电顺序也可以为： A 相 C 相 B 相
（3）工作过程
A
B' 1
A 相通电，A 方向的磁
C'
2
通经转子形成闭合回路。
• 9.如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的 振动和噪声
• 步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一 般可采用以下方案来克服： • A. 如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比 等机械传动避开共振区； • B. 采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简 便的方法； • C. 换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电 机； • D. 换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声， 但成本较高； • E. 在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品， 但机械结构改变较大。
• 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即 步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频 率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启 动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下， 启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动， 脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低， 然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转 速从低速升到高速）。
• 4.1.2
永磁步进电动机
• 永磁式步进电动机的定子极上有两
相或多相控制绕组，转子为一队或 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。
• 4.1.3
永磁感应式步进电动机
• 永磁感应式步进电动机亦称为混合式步进 电动机。定子结构与反应式步进电动机类
似，而转子由环行磁钢且两端罩上两段帽
• 7.为什么步进电机的力矩会随转速
的升高而下降
• 当步进电机转动时，电机各相绕组的电 感将形成一个反向电动势；频率越高， 反向电动势越大。在它的作用下，电机 随频率（或速度）的增大而相电流减小， 从而导致力矩下降。
• 8.为什么步进电机低速时可以正常运转， 但若高于一定速度就无法启动，并伴有 啸叫声
这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电， 而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相 单三拍。
三相单三拍的特点： （1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为 步距角，用S表示。 （2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，
改变通电顺序即可改变转向。
二、三相单双六拍
三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。 工作过程：
• 当转子转动时，磁路中的气隙发生改变， 磁路磁阻也发生变化，由磁路欧姆定律：
iN M RM ( )
或者
iN 2 M RM ( )
RM ( ) 磁路磁阻，转子位置的函数； M 气隙磁通； M N M 磁链。
式中：iN 电磁铁的激磁安匝；
• 电磁场能量为
式铁芯。这两段转子铁芯的外圆周上有均
布的齿槽，二者的装配位置从轴向看上去
错开半个齿距。
• 4.2
• 4.2.1
特性及主要技术指标
静态运行特性
• 静态运行特性主要指矩角特性。矩角特性是在不改变 控制绕组通电状态的情况下，电磁转矩与转子转角的 关系曲线。步进电动机的电磁转矩是由于磁路磁阻随 转子位置变化而产生的。
CA通电
以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六 拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。
小步距角的步进电动机
实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5 度，步距角越小，机加工的精度越高。
为产生小步距角，定、转子都做成多齿的， 图中转子40个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁 极上也有五个齿。
转子的齿距等于360/ 40=9 ，齿宽、齿槽各4.5 。 为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿， 齿宽和齿槽和转子相同。
电角度 步距角 裕量角
e zr s r
（2n 1 ） pr 4
从反方向向平衡位置运动，可能形成振荡， 其自由振荡频率为: 1 K0 f0 ， 2 J dTem 因为刚度K 0 zrTsm d 0 1 f0 2 zrTsm J
若转子和磁场轴线方向
4
C
3 A'
B
原有一定角度，则在磁
场的作用下，转子被磁
化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁
路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。
A 相通电使转子1、3齿和 AA' 对齐。
A
B'
A C' B
B'
C' B
A'
C
A'
C
同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐， 相对A相通电位置转30；C相通电再转30。
（2）A 相断电、B 相通电后，转子只需转过1/3个
齿（3），使 B 相转子、定子对齐。 同理，C 相通电再转3 …… 若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲， 转子只转 1.5 。 异步机的转动方向仍由相序决定。
步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为 步距角。 步距角
360 如：Zr=40 , m=3 时 S 3 40 3
360 S Zrm
m:一个周期的运行拍数 Zr：转子齿数
转速
60 f s n 360
f：电脉冲的频率
• 第四章
步进电动机运动控制
• 4.1
步进电动机工作原理
• 步进电动机分为反应式、永磁式和永磁感应式 • 4.1.1 反应式步进电动机
•
反应式步进电动机又称为变磁阻式电动机，其定 子和转子均由硅钢片铁芯组成，定子上由若干对磁极， 磁极上有控制绕组。
机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号
转换成线位移或角位移的电机。每来一个 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。
特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。
(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变方向。
种类：
有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步 进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子 上没有励磁线圈。
• 5.步进电机精度为多少是否累积
• 一般步进电机的精度为步进角的3-5%， 且不累积。
• 6.步进电机的外表温度允许达到多少
• 步进电机温度过高首先会使电机的磁性 材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失 步，因此电机外表允许的最高温度应取 决于不同电机磁性材料的退磁点； • 一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130度以上，有的甚至高达摄氏200度以 上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90 度完全正常。
• 10.细分驱动器的细分数是否能代表精度
• 步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术 （请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步 进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分 技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8°的两 相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置 为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45°，电 机的精度能否达到或接近0.45°，还取决于细分驱 动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的 细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越 难控制。