1、步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分，現(xiàn)以右圖所示的反應(yīng)式三相步進(jìn)電機(jī)為例加以說(shuō)明。定子上有六個(gè)磁極，每個(gè)磁極上繞有勵(lì)磁繞組，每相對(duì)的兩個(gè)磁極組成一相，分成A、B、C三相。轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，它是由帶齒的鐵心做成的。 A A B B C C 定子 轉(zhuǎn)子 繞組 圖5-12 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)第1頁(yè)/共18頁(yè)第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)是按電磁吸引的原理進(jìn)行工作的。當(dāng)定子繞組按順序輪流通電時(shí)，A、B、C三對(duì)磁極就依次產(chǎn)生磁場(chǎng)，并每次對(duì)轉(zhuǎn)子的某一對(duì)齒產(chǎn)生電磁引力，將其吸引過(guò)來(lái)，而使轉(zhuǎn)子一步步轉(zhuǎn)動(dòng)。每當(dāng)轉(zhuǎn)子某一對(duì)齒的中心線與定子磁極中心線對(duì)齊時(shí)，磁阻最小，轉(zhuǎn)矩為零。如果控制線路不停

2、地按一定方向切換定子繞組各相電流，轉(zhuǎn)子便按一定方向不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)每次轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角，記為 。第2頁(yè)/共18頁(yè)AABBCCAABBCCAABBCC1112223333444逆時(shí)針轉(zhuǎn) 300逆時(shí)針轉(zhuǎn) 300逆時(shí)針轉(zhuǎn) 300圖5-13 步進(jìn)電機(jī)工作原理為進(jìn)一步了解步進(jìn)電機(jī)的工作原理，以右圖為例來(lái)說(shuō)明其轉(zhuǎn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程，假設(shè)轉(zhuǎn)子上有四個(gè)齒，相鄰兩齒間夾角（齒距角）為900。當(dāng)A相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子1、3齒被磁極A產(chǎn)生的電磁引力吸引過(guò)去，使1、3齒與A相磁極對(duì)齊。第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)第3頁(yè)/共18頁(yè)接著B(niǎo)相通電，A相斷電，磁極B又把距它最近的一對(duì)齒2、4吸引過(guò)來(lái)，使轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)30o。然后

3、C相通電，B相斷電，轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30o，依次類(lèi)推，定子按ABCA順序通電，轉(zhuǎn)子就一步步地按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，每步轉(zhuǎn)30o。若改變通電順序，按ACBA使定子繞組通電，步進(jìn)電機(jī)就按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，同樣每步轉(zhuǎn)30o。這種控制方式叫三相單三拍方式，“單”是指每次只有一相繞組通電，“三拍”是指每三次換接為一個(gè)循環(huán)。由于每次只有一相繞組通電，在切換瞬間將失去自鎖轉(zhuǎn)矩，容易失步，另外，只有一相繞組通電，易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性不佳，故實(shí)際應(yīng)用中不采用單三拍工作方式。第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)第4頁(yè)/共18頁(yè) 采用三相雙三拍控制方式，即通電順序按ABBCCAAB（逆時(shí)針?lè)较颍┗駻CCBBAAC（順時(shí)針?lè)?/p>

4、向）進(jìn)行，其步距角仍為300。由于雙三拍控制每次有二相繞組通電，而且切換時(shí)總保持一相繞組通電，所以工作比較穩(wěn)定。如果按AABBBCCCAA順序通電，即首先A相通電，然后A相不斷電，B相再通電，即A、B兩相同時(shí)通電，接著A相斷電而B(niǎo)相保持通電狀態(tài)，然后再使B、C兩相通電，依次類(lèi)推，每切換一次，步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)15。如通電順序改為AACCCBBBAA，則步進(jìn)電機(jī)以步距角15順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。這種控制方式為三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且轉(zhuǎn)換過(guò)程中始終保證有一個(gè)繞組通電，工作穩(wěn)定，因此這種方式被大量采用。 實(shí)際應(yīng)用的步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)子鐵心和定子磁極上均有齒距相等的小齒，且齒數(shù)要有

5、一定比例的配合。 第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)第5頁(yè)/共18頁(yè)二、步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo) KmZ3601. 步距角和步距誤差 步距角和步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)、通電方式及電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)的關(guān)系如下：式中 ：步進(jìn)電機(jī)的步距角；m電機(jī)相數(shù)； Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)相同，K1； 相鄰兩次通電相數(shù)不同，K2。 同一相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)可有兩種步距角，通常為1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距誤差是指步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子每一步實(shí)際轉(zhuǎn)過(guò)的角度與理論步距角之差值。連續(xù)走若干步時(shí)，上述步距誤差的累積值稱為步距的累積誤差。由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一轉(zhuǎn)后，將重復(fù)上一轉(zhuǎn)的穩(wěn)定位置，即步進(jìn)電機(jī)的步距累積

6、誤差將以一轉(zhuǎn)為周期重復(fù)出現(xiàn)。第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)第6頁(yè)/共18頁(yè)2. 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)上某相定子繞組通電之后，轉(zhuǎn)子齒將力求與定子齒對(duì)齊，使磁路中的磁阻最小，轉(zhuǎn)子處在平衡位置不動(dòng)（0）。如果在電機(jī)軸上外加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mz，轉(zhuǎn)子會(huì)偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度角度,稱為失調(diào)角。有失調(diào)角之后，步進(jìn)電機(jī)就產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（也稱為電磁轉(zhuǎn)矩），這時(shí)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系叫矩角特性，如右圖所示，近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩除去時(shí)，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點(diǎn)位置（0）。 O Mjmax M

7、 靜態(tài)穩(wěn)定區(qū) - -/2 /2 圖5-14 靜態(tài)矩角特性第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)第7頁(yè)/共18頁(yè)3.最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 右下圖為三相單三拍矩角特性曲線，圖中的A、B分別是相鄰A相和B相的靜態(tài)矩角特性曲線，它們的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電機(jī)的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。如果外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于它，電機(jī)就不能啟動(dòng)。如圖所示,當(dāng)A相通電時(shí)，若外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，對(duì)應(yīng)的失調(diào)角，當(dāng)勵(lì)磁電流由A相切換到B相時(shí)，對(duì)應(yīng)角，B相的靜轉(zhuǎn)矩為M。從圖中看出,電機(jī)不能帶動(dòng)負(fù)載做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，因而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是電機(jī)能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)的極限轉(zhuǎn)矩。圖5-15步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩ABCMMjmax第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)第8頁(yè)/共18頁(yè) 4. 啟動(dòng)頻率 空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜

8、止?fàn)顟B(tài)突然起動(dòng)，并進(jìn)入不失步的正常運(yùn)行的最高頻率，稱為啟動(dòng)頻率或突跳頻率，加給步進(jìn)電機(jī)的指令脈沖頻率如大于啟動(dòng)頻率，就不能正常工作。步進(jìn)電機(jī)在帶負(fù)載（尤其是慣性負(fù)載）下的啟動(dòng)頻率比空載要低。而且，隨著負(fù)載加大（在允許范圍內(nèi)），啟動(dòng)頻率會(huì)進(jìn)一步降低。 5. 連續(xù)運(yùn)行頻率 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)后，其運(yùn)行速度能根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運(yùn)行頻率。其值遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率，它也隨著電機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動(dòng)電源也有很大關(guān)系。 第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)第9頁(yè)/共18頁(yè) 6. 矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩 矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系（見(jiàn)下圖），該特性

9、上每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，若輸入脈沖頻率逐漸增加，則電動(dòng)機(jī)所能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩將逐漸下降。在使用時(shí)，一定要考慮動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降的特點(diǎn)。 Mf圖5-16 矩頻特性第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)第10頁(yè)/共18頁(yè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路完成由弱電到強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換和放大，也就是將具有一定頻率、一定數(shù)量和方向的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電機(jī)各相定子繞組通斷電的電平信號(hào)。驅(qū)動(dòng)控制電路由環(huán)形分配器和功率放大器組成。環(huán)形分配器是用于控制步進(jìn)電機(jī)的通電方式的，其作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列指令脈沖按照一定的順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相繞組的通電、斷電。環(huán)形分配器功能可由硬件或

10、軟件產(chǎn)生，硬件環(huán)形分配器是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和控制方式設(shè)計(jì)的，數(shù)控機(jī)床上常用三相、四相、五相及六相步進(jìn)電機(jī)。三、步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)第二節(jié)開(kāi)環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)第11頁(yè)/共18頁(yè) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路p功率驅(qū)動(dòng)電路單電壓驅(qū)動(dòng)電路第12頁(yè)/共18頁(yè) 功率驅(qū)動(dòng)電路高、低壓驅(qū)動(dòng)電路 第13頁(yè)/共18頁(yè) 斬波驅(qū)動(dòng)電路 第14頁(yè)/共18頁(yè)1.工作臺(tái)位移量的控制 數(shù)控裝置發(fā)出N個(gè)脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)線路放大后，使步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化N次，如果一個(gè)脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角位移量N，再經(jīng)減速齒輪、絲杠、螺母之后轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)的位移量L，即進(jìn)給脈沖數(shù)決定了工作臺(tái)的直線位移量L。 2.工作臺(tái)進(jìn)給速度的控制 數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給脈沖頻率為f，經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制線路，表現(xiàn)為控制步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電、斷電狀態(tài)的電平信號(hào)變化頻率，定子繞組通電狀態(tài)變化頻率決定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)減速齒輪及絲杠、螺母之后，體現(xiàn)為工作臺(tái)的進(jìn)給速度V，即進(jìn)給脈沖的頻率決定了工作臺(tái)的進(jìn)給速度。四、開(kāi)環(huán)控制步進(jìn)式伺服系