第十一章步进电机Word文档下载推荐.docx

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按励磁方式分类，步进电动机可分为反应式（VariableReluctance,VR）、永磁式（PermanentMagnet,PM）和混合式（Hybrid,HB）。

其中反应式步进电动机用得比较普遍，结构也较简单，所以着重分析这类电机。

反应式步进电动机的工作原理与反应式同步电动机一样，也是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动的。

为了便于说清问题，先以一个最简单的三相反应式步进电动机为例。

图11-6是一台三相反应式步进电动机，定子有6个极，不带小齿，每两个相对的极上绕有一相控制绕组，转子只有4个齿，齿宽等于定子的极靴宽。

1.三相单三拍运行

（a）（b）（c）

图11-6三相单三拍运行

（a）A相接通；

（b）B相接通；

（c）C相接通

2.三相六拍运行

三相绕组的通电顺序为：

AABBBCCCAA共六拍

图11-7三相六拍运行

（a）A相通电；

（b）A、B相通电；

（c）B相通电

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。

3.三相双三拍

ABBCCAAB共三拍。

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=30。

图11–5四相反应式步进电动机的结构

图11–8A相通电时定、转子齿的相对位置

如果运行方式改为四相八拍，其通电方式为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A……即单相通电和两相通电相间时，与上面三相步进电动机道理完全一样，当A相通电转到A、B两相同时通电时，定、转子齿的相对位置由图11-8所示的位置变为图11-9那样的位置（只画出A、B两个极下的齿），转子按顺时针方向只转过1/8齿距角，即0.9°

，A极和B极下的齿轴线与转子齿轴线都还错开1/8齿距角。

图11–9A、B两相通电时定、转子齿的相对位置

11.2.2基本特点

根据上述的工作原理可以归纳步进电动机基本特点如下：

（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。

例如一个按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，输入一个控制电脉冲后，就变成B、C这两路有电压，再输入一个电脉冲，则变成C、A这两路有电压，再输入一个电脉冲，又变成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。

图11-10表示三相步进电动机控制方框图，图11-11表示三相双三拍运行时控制电脉冲及各相控制电压随时间变化的波形图。

图11-10控制方框图

图11-11三相双三拍运行时各相控制电压波形图

每循环一次所包含的通电状态数称为“状态数”或“拍数”。

同一台电机可有多种分配方式。

不管分配方式如何，每循环一次，控制电脉冲Uk的个数总等于拍数N，而加在每相绕组上的脉冲电压（或电流）个数却等于1，因而控制电脉冲频率f是每相脉冲电压（或电流）频率f相的N倍，即

（2）齿距角和步距角

齿距角为

每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角，用符号θb表示。

式中，N为运行拍数，N=km（k=1,2；

m为相数）。

（3）反应式步进电动机转速

（4）步进电机具有自锁能力。

当控制脉冲不断送入，各相绕组按照一定程序轮流通电时，步进电动机转子就一步步地转动。

当控制脉冲停止时，如果某些相绕组仍通入恒定不变的电流（可称为直通电流），那末转子将固定于某一位置上保持不动，称为静止状态。

静止状态时，即使有一个小的扰动，使转子偏离此位置，磁拉力也能把转子拉回来。

对于多相步进电动机，定子控制绕组可以是一相通电，也可以是几相同时通电。

综上所述，由于步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响（在允许负载范围内），也不受环境条件（温度、压力、冲击、振动等）变化的影响，只与控制脉冲同步，同时它又能按照控制的要求，实现启动、停止、反转或改变转速。

因此，步进电动机被广泛地应用于各种数字控制系统。

11.3步进电动机的矩角特性和静态转矩

11.3.1单相通电时

单相通电时，通电相极下的齿产生转矩，这些齿与转子齿的相对位置及所产生的转矩都是相同的，故可以用一对定、转子齿的相对位置来表示转子位置，电机总的转矩等于通电相极下各个定子齿所产生的转矩之和。

图11-12定、转子齿的相对位置（图中转子失调角θe）

图11-13定、转子间的作用力

图11-14步进电动机的矩角特性

11.3.2多相通电时

一般来说，多相通电时的矩角特性和最大静态转矩Tjmax与单相通电时不同。

按照叠加原理，多相通电时的矩角特性近似地可以由每相各自通电时的矩角特性叠加起来求出。

先以三相步进电机为例。

三相步进电动机可以单相通电，也可以两相同时通电，下面推导三相步进电动机当两相通电时（如A、B两相）的矩角特性。

如果转子失调角θe是指A相定子齿轴线与转子齿轴线之间的夹角，那末A相通电时的矩角特性是一条通过0点的正弦曲线（假定矩角特性可近似地看作正弦形），可以用下式表示：

图11-16A相和B相定子齿相对转子齿的位置

当B相也通电时，由于θe=0时的B相定子齿轴线与转子齿轴线相夹一个单拍制的步距角，这个步距角以电角度表示为θbe，其值为θbe=θte/3=120°

电角度或2π/3电弧度，如图11-16所示。

其中，θbe为单拍制分配方式时的步距角（电角度或电弧度），θbe=2π/m。

所以B相通电时的矩角特性可表示为

这是一条与A相矩角特性相距120°

（即θte/3）的正弦曲线。

当A、B两相同时通电时合成矩角特性应为两者相加，即

可见它是一条幅值不变，相移60°

（即θte/6）的正弦曲线。

A相、B相及A、B两相同时通电的矩角特性如图11-17（a）所示。

除了用波形图表示多相通电时矩角特性外，还可用向量图来表示，如图11-17（b）所示。

图11-17三相步进电动机单相、两相通电时的转矩

（a）矩角特性；

（b）转矩向量图

从上面对三相步进电动机两相通电时矩角特性的分析可以看出，两相通电时的最大静态转矩值与单相通电时的最大静态转矩值相等。

也就是说，对三相步进电机来说，不能依靠增加通电相数来提高转矩，这是三相步进电机一个很大的缺点。

如果不用三相，而用更多相时，多相通电是否能提高转矩呢?

回答是肯定的。

下面以五相电机为例进行分析。

与三相步进电机分析方法一样，也可作出五相步进电机的单相、两相、三相通电时矩角特性的波形图和向量图，如图11-18和图11-19所示。

由图可见，两相和三相通电时矩角特性相对A相矩角特性分别移动了2π/10（36º

）及2π/5（72º

），静态转矩最大值两者相等，而且都比一相通电时大。

因此，五相步进电动机采用两相—三相运行方式（如AB-ABC-BC……）不但转矩加大，而且矩角特性形状相同，这对步进电机运行的稳定性是非常有利的，在使用时应优先考虑这样的运行方式。

图11-18五相步进电动机单相、两相、三相通电时的矩角特性

图11–19五相步进电动机转矩向量图

下面给出m相电机，n相同时通电矩角特性的一般表达式：



…

所以n相同时通电时转矩

式中，θbe为单拍制分配方式时的步距角（电角度或电弧度）。

因为θbe=2π/m，所以

因而m相电机n相同时通电时转矩最大值与单相通电时转矩最大值之比

例如五相电动机两相通电时转矩最大值为

三相通电时

11.4步进电动机的单步运行状态

单步运行状态是指步进电动机在单相或多相通电状态下，仅改变一次通电状态时的运行方式，或输入脉冲频率非常之低，以至加第二脉冲之前，前一步已经走完，转子运行已经停止的运行状态。

下面用矩角特性说明这种运行状态。

11.4.1步进电机的单步运行和最大负载能力

仍以三相步进电机为例。

假设矩角特性为正弦形，失调角θe是A相定子齿轴线与转子齿轴线之间的夹角，A相通电时的矩角特性如图11-20曲线A所示。

图中，θe=0的点是对应A相定子齿轴线与转子齿轴线相重合时的转子位置，称为平衡位置。

当电机处于理想空载即不带任何负载时，转子停在θe=0的位置上。

如果此时送入一个控制脉冲，切换为B相绕组通电，矩角特性就移动一个步距角θbe（等于120°

），跃变为曲线B，θe=120°

就成为新的平衡位置。

图11-20空载时步进电动机的单步运行

但切换的瞬时转子还处于θe=0的位置，对应θe=0的电磁转矩已由T=0突变为T=Tjmaxsin120°

（对应图中a点的转矩）；

电机在电磁转矩作用下将向新的初始平衡位置移动，直至θe=120°

为止。

这样，电机从θe=0到θe=120°

步进了一步（一个步距角）。

如果不断送入控制脉冲，使绕组按照A-B-C-A顺序不断换接，电机就不断地一步一步转动，每走一步转过一个步距角，这就是步进电动机作单步运行的情况。

当电机带恒定负载TL时若A相通电，转子将停留在失调角为θea的位置上，如图11-21所示。

当θe=θea时，电磁转矩TA（对应a点的转矩）与负载转矩TL相等，转子处于平衡。

如果送入控制脉冲，转换到B相通电，则转子所受的有效转矩为电磁转矩TB与负载转矩TL之差，即图11-21上的阴影部分。

转子在此转矩的作用下也转过一个步距角120°

，由θe=θea转到新的平衡位置θe=θeb。

这样，当绕组不断地换接时，电机也不断地步进运动，步距角仍为120°

电角度。

图11-21加载时步进电动机的单步运行

图11-22最大负载能力的确定

Q2HB88（Q2HB613）二相混合式步进电机驱动器

产品说明：

Q3HB110M等角度恒力矩细分型驱动器，驱动电压AC40V-110V，适配电流在5.2A以下，外径86-110mm的各种型号的三相混合式步进电机。

该驱动器内部采用伺服控制原理的电路，此电路可以使电机低速运行平稳，几乎没有震动和噪音，电机在高速时力距大大高于二相和五相混合式步进电机，定位精度最高可达30000步/转。

该产品广泛应用于雕刻机、中型数控机床、包装机械等分辩率较高的大、中型数控设备上。

特点：

◆高性能、低价格

◆最高反应频率可达200Kpps

◆步进脉冲停止超过100ms时，线圈电流自动减半

◆双极恒流斩波方式

◆单电源输入，电压范围：

AC40-110V

◆光电隔信号输入／输出

◆驱动电流从0.3A／相到5.2A/相分16档可调

◆设有16档等角度恒力细分，最高30000步/转

◆相位记忆功能（注：

输入脉冲停止超过5秒后，驱动器自动记忆当时电机相位，重新上电或MF信号由有交变无效时，驱动器自动恢复电机相位。

）

功能设定示意图：

输入信号波形时序图：

驱动器接线示意图：

★注：

1、千万不要将电源接反，输入电压不要超过DC80（130）V。

　　　2、输入控制信号电平为5V，当高于5V时需要接限流电阻。

（具体接法）

　　　3、O.H/L.V为输入电压低及过热指示灯。

当动驱动器输入电压低于18V（30V）或驱动器温度超过70度时过热指示灯亮，驱动器停止工作，直到动器温度降到50度，驱动器自动恢复工作出现过热保护请加装散热器。

电流设定：

1、STOP/Im为保持状态输出电流设置电位器，可设置为正常输出电流的20%-80%（顺时针减小，逆时针增大）

2、RUN/Im为正常工作输出电流设置开关

R-1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

A

B

C

D

E

F

Q2HB88Im（A）

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

Q2HB613Im（A）

0.4

0.8

1.2

1.6

2.4

2.8

3.2

3.6

4.4

4.8

5.2

5.6

6.4

DIP开关功能设定说明：

细分数

1（整步）

2（半步）

DP1

OFF

ON

DP3

OFF，双脉冲：

PU为正向步进脉冲信号，DR为反向步进脉冲信号

ON，单脉冲：

PU为步进脉冲信号，DR为方向控制信号

引脚功能说明：

标记符号

功 

能

注 

释

+

输入信号光电隔离正端

按+5V供电电源.+5V-+24V均可驱动，高于+5V需接限流电阻

MF

电机释放信号

高电平使能：

有效（低电平）时关断电机线圈电流，驱动器停止工作，电机处于自由状态

＋

接+5V供电电源.+5V-+24V均可驱动,高于+5V需接限流电阻

DR

DP3=ON，DR为控制信号

用于改变电机转向。

输入电阻220Ω，要求：

低电平0－0.5V，高电平4－5V，脉冲宽度>

2.5μs

DP3=OFF，DR为反向步进脉冲信号

PUS

DP3=ON，PU为为步进脉冲信号

下降沿有效,每当脉冲由高变低时电机走一步。

DP3=OFF，PU为正向步进脉冲信号

过热/电压过低保护输出人员不足光电隔离正端

驱动器温度高于70度或电压过低时，自动关断线圈电流同时置FAL为有效（低电平），温度降至50度时驱动器自动恢复工作清除FAL信号

FAL

过热/电压过低保护光电隔离负端

+端接输出信号限流电阻，FAL接输出地。

最大驱动电流50mA，最高电压50V

N

空端

＋V

电源正极

　DC18～80V（DC30～130V）

－V

电源负极