步进电机的结构与原理.ppt

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第第3讲讲步进电机控制系统步进电机控制系统主讲老师主讲老师:

刘遥生刘遥生机电传动控制技术系列讲座内容机电传动控制技术系列讲座内容:

第一讲第一讲：

机电传动概述及控制系统中常用检测元件机电传动概述及控制系统中常用检测元件主要内容：

讲述机电传动的目的和任务及发展概况，介主要内容：

讲述机电传动的目的和任务及发展概况，介绍机电传动控制系统中常用的元器件（如速度传感器、线位绍机电传动控制系统中常用的元器件（如速度传感器、线位移传感器、角位移传感器等）。

移传感器、角位移传感器等）。

第二讲第二讲：

机电传动控制系统机电传动控制系统主要内容：

讲述机电传动控制系统的组成和分类，重点主要内容：

讲述机电传动控制系统的组成和分类，重点介绍机电传动控制系统调速方法。

介绍机电传动控制系统调速方法。

第三讲第三讲：

步进电机控制系统步进电机控制系统主要内容：

讲述步进电机的结构、原理和控制系统主要内容：

讲述步进电机的结构、原理和控制系统;重重点介绍步进电机的控制与应用等方面的知识。

点介绍步进电机的控制与应用等方面的知识。

第三讲第三讲步进电机控制系统步进电机控制系统目的：

目的：

1、了解步进电机的一般结构与工作原理、了解步进电机的一般结构与工作原理2、掌握步进电机基本特性及应用、掌握步进电机基本特性及应用3、学会步进电机控制方法、学会步进电机控制方法内容：

内容：

一、步进电机的分类一、步进电机的分类二、步进电机的结构和工作原理二、步进电机的结构和工作原理三、步进电机的主要技术指标三、步进电机的主要技术指标四、步进电机的控制四、步进电机的控制第一节第一节步进电机分类步进电机分类1、何谓步进电动机、何谓步进电动机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。

又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。

其功用是将脉冲电信号变换为相应的角度位移或直线位移，即其功用是将脉冲电信号变换为相应的角度位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步。

给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步。

转角转角控制电脉冲控制电脉冲tt图图11步进电机的功用步进电机的功用驱动器驱动器步进电机步进电机控制电脉冲控制电脉冲第一节第一节步进电机分类步进电机分类2、步进电动机产品外形、步进电动机产品外形步进电机驱动器第一节第一节步进电机分类步进电机分类2、步进电动机产品外形、步进电动机产品外形第一节第一节步进电机分类步进电机分类3、步进电动机分类、步进电动机分类步进电机在构造上有三种主要类型：

步进电机在构造上有三种主要类型：

11、反应式（反应式（VariableReluctanceVariableReluctance，VRVR）22、永磁式（、永磁式（PermanentMagnet,PMPermanentMagnet,PM）33、混合式（混合式（HybridStepping,HSHybridStepping,HS）。

）。

反应式反应式永磁式永磁式混合式混合式反应式结构反应式结构第一节第一节步进电机分类步进电机分类3、步进电动机分类、步进电动机分类反应式：

反应式：

定子上有绕组、转子由软磁材料组成。

结构简单、成本低、步距角小，定子上有绕组、转子由软磁材料组成。

结构简单、成本低、步距角小，可达可达1.21.2、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

永磁式：

永磁式：

永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。

其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大相同。

其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为（一般为7.57.5或或1515）。

）。

混合式：

混合式：

混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。

其组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。

其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

反应式反应式永磁式永磁式混合式混合式2020世纪世纪6060年代后期，在步进电动机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性年代后期，在步进电动机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电动机也应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电动机在众多领域的应步进电动机也应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电动机在众多领域的应用用。

在近在近3030年间，步进电动机迅速地发展并成熟起来年间，步进电动机迅速地发展并成熟起来。

从发展趋向来讲，步进电动从发展趋向来讲，步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机、以及同步电动机并列，从而成为电动机的一机已经能与直流电动机、异步电动机、以及同步电动机并列，从而成为电动机的一种基本类型种基本类型。

我国步进电动机的研究及制造起始于本世纪我国步进电动机的研究及制造起始于本世纪5050年代后期年代后期，从从5050年代后期到年代后期到6060年年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品，这些这些产品以多段结构三相反应式步进电动机为主产品以多段结构三相反应式步进电动机为主。

7070年代初期，步进电动机的生产和研究有所突破年代初期，步进电动机的生产和研究有所突破，除反映在驱动器设计方面的除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电动机本体的设计研究发展到一个较高水平长足进步外，对反应式步进电动机本体的设计研究发展到一个较高水平。

7070年代中期至年代中期至8080年代中期为成品发展阶段年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发新品种高性能电动机不断被开发。

自自8080年代中期以来，由于对步进电动机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步年代中期以来，由于对步进电动机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品广泛利用进电动机及驱动器作为产品广泛利用4、步进电动机的发展、步进电动机的发展第一节第一节步进电机分类步进电机分类步进电机主要用于一些有定位要求的场合。

例如：

线切割的工作台拖动，植毛机工作台（毛孔定位），包装机（定长度）。

打印机，汽车油门控制系统，扫描仪等。

基本上涉及到定位的场合都用得到。

5、步进电动机的应用领域、步进电动机的应用领域第一节第一节步进电机分类步进电机分类第二节第二节步进电机结构和工作原理步进电机结构和工作原理1、步进电机的结构、步进电机的结构第二节第二节步进电机结构和工作原理步进电机结构和工作原理1、步进电机的结构、步进电机的结构由由定子定子和和转子转子二大部分组成二大部分组成定子转子第二节第二节步进电机结构和工作原理步进电机结构和工作原理1、步进电机的结构定子、步进电机的结构定子第二节第二节步进电机结构和工作原理步进电机结构和工作原理1、步进电机的结构定子、步进电机的结构定子第二节第二节步进电机结构和工作原理步进电机结构和工作原理2、步进电机的结构转子、步进电机的结构转子第二节第二节步进电机结构和工作原理步进电机结构和工作原理2、步进电机的结构转子、步进电机的结构转子

（1）定子定子由硅钢片叠成，装上一定相数的由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，由环行分配器送来的电脉冲对控制绕组，由环行分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁；多相定子绕组轮流进行励磁；-第二节第二节步进电机结构和工作原理步进电机结构和工作原理3、步进电机的结构原理、步进电机的结构原理由用硅钢片叠成或用软磁性由用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构。

材料做成凸极结构。

转动转动1个齿，转角发生了个齿，转角发生了90度变化。

度变化。

（2）转子转子-第二节第二节步进电机结构和工作原理步进电机结构和工作原理3、步进电机的结构原理、步进电机的结构原理定子定子上有六个均布的磁极，每个上有六个均布的磁极，每个磁极上又有磁极上又有55个小齿，齿距相等，个小齿，齿距相等，齿间夹角为齿间夹角为99度度转转子子上上无无绕绕组组，只只有有均均布布的的4040个个小小齿齿，定定子子磁磁极极的的齿齿与与转转子子上上的的齿齿依依次错开次错开1/31/3齿距。

齿距。

第二节第二节步进电机结构和工作原理步进电机结构和工作原理4、步进电机的结构原理反应式、步进电机的结构原理反应式第二节第二节步进电机结构和工作原理步进电机结构和工作原理5、步进电机的工作原理反应式、步进电机的工作原理反应式依依此此轮轮流流通通电电，转转子子就就沿沿着着AABBCC的方向旋转。

的方向旋转。

从一相通电换接到另一相通电，转从一相通电换接到另一相通电，转子转过一个步距角，称为一拍子转过一个步距角，称为一拍在一个循环周期内换接三次，称为在一个循环周期内换接三次，称为三相单三拍三相单三拍运行运行动画动画如如果果通通电电方方式式按按ABABBCBCCACA的的顺顺序序，每每次次接接通通两两相相绕绕组组，称称为为三三相相双双三三拍拍运行。

步距角也是运行。

步距角也是3030度度动画动画当当按按AAABABBBBCBCCCCACAAA顺顺序序通通电电，则则一一个个循循环环周周期期内内换换接接六六次次，称称为为三三相相六六拍拍运运行行，此此时步步距距角角为1515度度动画动画A相绕组通电相绕组通电B相绕组通电相绕组通电C相绕组通电相绕组通电第二节第二节步进电机结构和工作原理步进电机结构和工作原理5、步进电机的工作原理反应式、步进电机的工作原理反应式第二节第二节步进电机结构和工作原理步进电机结构和工作原理5、步进电机的工作原理反应式、步进电机的工作原理反应式转转子子齿齿数数zz=40=40，相相数数mm=3=3，tt为为齿齿距距，其其对对应应空空间间角角度度为为36036040=940=9度度，则则定定子子相相邻邻磁磁极极间间的的转子子齿数数为6.2/36.2/3第二节第二节步进电机结构和工作原理步进电机结构和工作原理5、步进电机的工作原理反应式、步进电机的工作原理反应式由由此此可可见见，mm相相步步进进电电动动机机的的步步距距角角与与定定子子绕绕组组的的相相数数mm、转转子子的的齿齿数数ZZ和和通通电电方方式式kk（拍拍数数/m/m相相数数）有有关关，即即转速为第二节第二节步进电机结构和工作原理步进电机结构和工作原理5、步进电机的工作原理反应式、步进电机的工作原理反应式1、步距角步距角-从一相通电换接到另一相通电，转子转过一从一相通电换接到另一相通电，转子转过一个步距角，个步距角，一般范围在一般范围在0.5030。

2、起动频率起动频率：

步进电动机能够不失步起动的最高频率。

起动：

步进电动机能够不失步起动的最高频率。

起动频率是随着负载大小而变化的，负载大，起动频率低。

频率是随着负载大小而变化的，负载大，起动频率低。

TL0启动矩频特性启动矩频特性fqfq0J启动惯频特性启动惯频特性第三节第三节步进电机主要技术指标步进电机主要技术指标3、连续运行频率：

步进电机连续运行时，如输入脉冲频率逐渐升高仍能保证不丢步运行的极限频率，称为连续运行频率。

有时称为最高连续频率或最高工作频率，记作fmax连续运行频远大于启动频率fq，这是出于启动时有较大的惯性扭矩并需要一定加速时间缘故第三节第三节步进电机主要技术指标步进电机主要技术指标Tjmax-+0Te稳定平衡点转角特性图转角特性图4、最大静态转矩最大静态转矩Mmax-是指在某相始终通电，转子不动时，是指在某相始终通电，转子不动时，所能承受的最大负载转矩。

反映了制动能力和低速步进运行所能承受的最大负载转矩。

反映了制动能力和低速步进运行时的负载能力。

时的负载能力。

这项指标反映了步进电机的带负载能力和工作的快速响应这项指标反映了步进电机的带负载