第13章 特种电机 13.7 步进电动机 步进电动机是一种把电脉冲信号转换成机械角位移的操控 电机，常作为数字操控系统中的履行元件。 13.7 步进电动机 步进电动机的品种 一般按励磁方法分为三大类： 1）反应式： 转子为软磁资料，无绕组，定、转子开小齿、步距角小。 2）永磁式： 转子为永磁资料，转子的极数=每相定子极数，不开小齿， 步距角较大，力矩较大 3）感应子式(混合式)： 转子为永磁式、两段，开小齿，转矩大、动态性能好、步距 角小，但结构杂乱，本钱较高。 以反应式为例阐明步进电机的结构和作业原理 13.7 步进电动机 13.7.1 步进电动机结构 步进电机主要由两部分构成：定子和转子，它们均由磁性资料构成。 以三相为例其定子和转子上别离有六个、四个磁极 。 定子绕组 转子 定子 步进电动机结构简图 13.7 步进电动机 步进电机内部结构 13.7 步进电动机 A IA 转子 定子 IC IB B C 定子的六个磁极上有操控绕组，两个相对的磁极组 成一相。 留意：这儿的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进 机通的是直流电脉冲，这主要是指线路的联接和组数的差异。 13.7 步进电动机 13.7.2 作业原理 三相步进电机的作业方法可分为：三相单三拍、 三相单双六拍、三相双三拍等。 一、三相单三拍 （1）三相绕组联接方法：Y 型 （2）三相绕组中的通电次序为： A相?B相?C相 13.7 步进电动机 （3）作业进程 A B 1 C 42 C 3B A A相通电 A 相通电，A 方向的磁通经 转子构成闭合回路。若转子和 磁场轴线方向原有必定视点， 则在磁场的效果下，转子被磁 化，招引转子，使转子的方位 力求使通电相磁路的磁阻最小， 使转、定子的齿对齐中止滚动。 A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。 13.7 步进电动机 A B C C B A B相通电 A B C C B A C相通电 13.7 步进电动机 这种作业方法，因三相绕组中每次只要一相通电， 并且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相 单三拍。 三相单三拍的特色： （1）每来一个电脉冲，转子转过 30?。此角称为 步距角，用?S表明。 （2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的次序， 改动通电次序即可改动转向。 正转： A相?B相?C相 回转： A 相 ? C 相? B 相 13.7 步进电动机 二、三相单双六拍 三相绕组的通电次序为： A?AB?B?BC?C?CA?A 共六拍。 作业进程： A B 1 C 42 C 3B A A相通电，转子1、3齿和A相对齐。 13.7 步进电动机 A、B相一起通电 A B C C B A （1）BB 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向滚动。 （2）AA 磁场持续对1、3齿有拉力。 所以转子转到两磁拉力平衡的方位上。相对AA 通电，转子转了15°。 13.7 步进电动机 B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15?。 A B C C B A 总归，每个循环周期，有六种通电状况，所以称 为三相六拍，步距角为15?。 13.7 步进电动机 三、三相双三拍 三相绕组的通电次序为： AB ? BC ? CA ? AB 共三拍。 A B C C B A A B C C B A AB通电 BC通电 13.7 步进电动机 A B C C B A 作业方法为三相双三拍时， 每通入一个电脉冲，转子也是 转30?，即 ?S = 30?。 CA通电 以上三种作业方法，三相双三拍和三相单双六 拍较三相单三拍安稳，因而较常选用。 13.7 步进电动机 小步距角的步进电动机 实践选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。 为发生小步距角，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。 13.7 步进电动机 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。 13.7 步进电动机 作业原理：假设是单三拍通电作业方法。 （1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此刻，B 相和 A 相空间差120?，含 120?/9? = 13 1 齿 3 A 相和 C 相差240?，含240?/ 9? = 26 2 个齿。 所以，A 相的转子、定子的五个小齿对齐时3，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?）。 13.7 步进电动机 （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 ? …… 若作业方法改为三相六拍，则每通一个电脉冲， 转子只转 1.5? 。 步进电机的滚动方向仍由相序决议。 13.7 步进电动机 步进电机的特色 1）步进电机作业时，每相绕组由专门的驱动电源通 过“环形分配器”按必定规则轮番通电。 步进电机轮番通电方法——分配方法 每一次循环所包括的通电状况数——拍数 状况数=相数——单拍制分配方法 (如：三相单三拍、四相双四拍) 状况数=相数的两倍——双拍制分配方法 (如：三相六拍、四相八拍) f 相? f N 通电脉冲频率 拍数 13.7 步进电动机 2) 步距角 步进机经过一个电脉冲转子转过的视点,称为步距角。 ?S ? 360? ZrN N:一个周期的运转拍数 Zr：转子齿数 如：Zr=40 , N=3 时 ?S ? 360? 40 ? 3 ? 3? 1 单拍制 拍数：N=km m:相数 k= 2 双拍制 13.7 步进电动机 3) 转速 每输入一个脉冲，电机转过 ?S ? 360? ZrN 即转过整个圆周的1/(ZrN）, 也便是1/(ZrN）转 因而每分钟转过的圆周数，即转速为 n ? 60 f ? 60 f ? 360? ? ?s f Zr N 360?Zr N 6? 4)步进电机具有自锁才能 (r / min) 当操控脉冲中止输入、而使最终一个脉冲操控的绕 组持续通电时，电机能够保持在固定方位。 13.7 步进电动机 步进电动机驱动操控器的构成 1、对驱动电源的基本要求 1）驱动电源的相数、通电方法和电压、电流都 满意步进电动机的需求； 2）要满意步进电动机的起动频率和运转频率的 要求； 3）能最大极限地按捺步进电动机的振动； 4）作业牢靠，抗干扰才能强； 5）本钱低、效率高、装置和保护便利。 13.7 步进电动机 2、驱动操控器的组成 指令 脉冲发生器 脉冲分配器 电源 功率放大器 步进 电动机 步进电动机的驱动电源主要由脉冲发生器、脉冲 分配器和脉冲放大器（也称功率放大器）三部分 组成。 13.7 步进电动机 脉冲发生器 脉冲发生器是一个脉冲频率在几赫到几十千赫内可连 续改变的脉冲信号发生器。最常见的有多谐振动器和 单结晶体管构成的张弛振动器两种。 脉冲分配器 脉冲分配器依据指令把脉冲按必定的逻辑关系加到各 相绕组的功率放大器上，使电机按必定方法运转，实 现正、回转和定位。 传统电路：门电路+触发器组成 集成电路：如CH205(CMOS)三相六拍脉冲分配器 趋势：单片机操控步进电机 由单片机完成脉冲发生器+脉冲分配器的功用