第13章特種電機13.7步進電動機步進電動機是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的控制電機，常作為數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。以反應(yīng)式為例說明步進電機的結(jié)構(gòu)和工作原理通常按勵磁方式分為三大類：1）反應(yīng)式：

轉(zhuǎn)子為軟磁材料，無繞組，定、轉(zhuǎn)子開小齒、步距角小。2）永磁式：

轉(zhuǎn)子為永磁材料，轉(zhuǎn)子的極數(shù)=每相定子極數(shù)，不開小齒，步距角較大，力矩較大3）感應(yīng)子式(混合式)：

轉(zhuǎn)子為永磁式、兩段，開小齒，轉(zhuǎn)矩大、動態(tài)性能好、步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。步進電動機的種類13.7步進電動機

步進電機主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子，它們均由磁性材料構(gòu)成。以三相為例其定子和轉(zhuǎn)子上分別有六個、四個磁極。定子轉(zhuǎn)子定子繞組13.7.1步進電動機結(jié)構(gòu)13.7步進電動機步進電動機結(jié)構(gòu)簡圖步進電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)13.7步進電動機定子的六個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極組成一相。注意：這里的相和三相交流電中的“相”的概念不同。步進機通的是直流電脈沖，這主要是指線路的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。ABC定子轉(zhuǎn)子IAIBIC13.7步進電動機13.7.2工作原理三相步進電機的工作方式可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。一、三相單三拍（1）三相繞組聯(lián)接方式：Y型（2）三相繞組中的通電順序為：A相

B相

C相13.7步進電動機（3）工作過程

A相通電，A方向的磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場軸線方向原有一定角度，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子被磁化，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使通電相磁路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對齊停止轉(zhuǎn)動。A相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和AA'對齊。CA'BB'C'A341213.7步進電動機A相通電CA'BB'C'A3412B相通電1C'342CA'BB'AC相通電13.7步進電動機這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個循環(huán)周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。三相單三拍的特點：（1）每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30。此角稱為步距角，用S表示。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。13.7步進電動機反轉(zhuǎn)：

A相C相B相

A相

B相

C相正轉(zhuǎn)：二、三相單雙六拍三相繞組的通電順序為：

AABBBCCCAA

共六拍。工作過程：A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和A相對齊。CA'BB'C'A341213.7步進電動機所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA'通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15°。（1）BB'

磁場對2、4齒有磁拉力，該拉力使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。A、B相同時通電（2）AA'

磁場繼續(xù)對1、3齒有拉力。CA'BB'C'A341213.7步進電動機總之，每個循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為15。CA'BB'C'A3412B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相對齊，又轉(zhuǎn)了15。13.7步進電動機三、三相雙三拍三相繞組的通電順序為：

AB

BC

CA

AB

共三拍。AB通電CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通電13.7步進電動機以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。工作方式為三相雙三拍時，每通入一個電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30，即S=30。CA通電CA'BB'C'A341213.7步進電動機小步距角的步進電動機實際采用的步進電機的步距角多為3度和1.5度，步距角越小，機加工的精度越高。為產(chǎn)生小步距角，定、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，圖中轉(zhuǎn)子40個齒，定子仍是6個磁極，但每個磁極上也有五個齒。13.7步進電動機轉(zhuǎn)子的齒距等于360/40=9

，齒寬、齒槽各4.5。為使轉(zhuǎn)、定子的齒對齊，定子磁極上的小齒，齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相同。13.7步進電動機工作原理：假設(shè)是單三拍通電工作方式。（1）A相通電時，定子A相的五個小齒和轉(zhuǎn)子對齊。此時，B相和A相空間差120，含

120/9=齒13.7步進電動機

A相和C相差240，含240/9=個齒。所以，A相的轉(zhuǎn)子、定子的五個小齒對齊時，B相、C相不能對齊，B相的轉(zhuǎn)子、定子相差1/3個齒（3），C相的轉(zhuǎn)子、定子相差2/3個齒（6）。若工作方式改為三相六拍，則每通一個電脈沖，轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn)1.5。步進電機的轉(zhuǎn)動方向仍由相序決定。同理，C相通電再轉(zhuǎn)3……（2）A相斷電、B相通電后，轉(zhuǎn)子只需轉(zhuǎn)過1/3個齒（3），使B相轉(zhuǎn)子、定子對齊。13.7步進電動機步進電機的特點1）步進電機工作時，每相繞組由專門的驅(qū)動電源通過“環(huán)形分配器”按一定規(guī)律輪流通電。步進電機輪流通電方式——分配方式每一次循環(huán)所包含的通電狀態(tài)數(shù)——拍數(shù)狀態(tài)數(shù)=相數(shù)——單拍制分配方式

(如：三相單三拍、四相雙四拍)狀態(tài)數(shù)=相數(shù)的兩倍——雙拍制分配方式

(如：三相六拍、四相八拍)通電脈沖頻率拍數(shù)13.7步進電動機步進機通過一個電脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度,稱為步距角。N:一個周期的運行拍數(shù)Zr：轉(zhuǎn)子齒數(shù)如：Zr=40,N=3時2)步距角拍數(shù)：N=kmk=1單拍制2雙拍制m:相數(shù)13.7步進電動機

3)轉(zhuǎn)速每輸入一個脈沖，電機轉(zhuǎn)過即轉(zhuǎn)過整個圓周的1/(ZrN）,也就是1/(ZrN）轉(zhuǎn)因此每分鐘轉(zhuǎn)過的圓周數(shù)，即轉(zhuǎn)速為4)步進電機具有自鎖能力當(dāng)控制脈沖停止輸入、而使最后一個脈沖控制的繞組繼續(xù)通電時，電機可以保持在固定位置。13.7步進電動機步進電動機驅(qū)動控制器的構(gòu)成1、對驅(qū)動電源的基本要求1）驅(qū)動電源的相數(shù)、通電方式和電壓、電流都滿足步進電動機的需要；2）要滿足步進電動機的起動頻率和運行頻率的要求；3）能最大限度地抑制步進電動機的振蕩；4）工作可靠，抗干擾能力強；5）成本低、效率高、安裝和維護方便。13.7步進電動機2、驅(qū)動控制器的組成步進電動機的驅(qū)動電源主要由脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和脈沖放大器（也稱功率放大器）三部分組成。

13.7步進電動機脈沖分配器脈沖分配器根據(jù)指令把脈沖按一定的邏輯關(guān)系加到各相繞組的功率放大器上，使電機按一定方式運行，實現(xiàn)