步进电动机

1. 步进电动机

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

3. 1.典型结构 • 按励磁方式分类， 步进电动机可分为反应式、 永磁式和感应子式。 • 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。

4. 图 8 - 2 四相反应式步进电动机的结构

5. 反应式步进电动机又称为磁阻式步进电动机， 其典型结构如图8 - 2所示。 这是一台四相电机， 定子铁心由硅钢片叠成， 定子上有 8 个磁极(大齿)， 每个磁极上又有许多小齿。 四相反应式步进电动机共有 4 套定子控制绕组， 绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。 转子也是由叠片铁心构成， 沿圆周有很多小齿， 转子上没有绕组。 根据工作要求， 定子磁极上小齿的齿距和转子上小齿的齿距必须相等， 而且转子的齿数有一定的限制。 图中转子齿数为50个， 定子每个磁极上小齿数为5个。

6. 2.反应式步进电动机工作原理 反应式步进电动机的工作原理与反应式同步电动机一样， 也是利用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动的。如图8–5所示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。 图 8-5 反应式步进电动机三相单三拍运行 a. A相接通； b. B相接通； c. C相接通

7. 当A相控制绕组通电，而B相和C相都不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，所以转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐。同理，当断开A相接通B相时，转子便按逆时针方向转过30°，使转子齿2和4的轴线与定子B极轴线对齐。断开B相，接通C相，则转子再转过30°，使转子齿1和3的轴线与C极轴线对齐。 如此按A→B→C→A→…顺序不断接通和断开控制绕组， 转子就会一步一步地按逆时针方向连续转动，如图8-5所示。 步进电动机的转速取决于各控制绕组通电和断电的频率(即输入的脉冲频率)，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。如上述电机通电次序改为A→C→B→A→…则电机转向相反，变为按顺时针方向转动。 这种按A→B→C→A→…方式运行的称为三相单三拍运行。所谓“三相”是指此步进电动机具有三相定子绕组；“单”是指每次只有一相绕组通电；“三拍”是指三次换接为一个循环，第四次换接重复第一次的情况。 除了这种运行方式外，三相步进电动机还可以三相双三拍和三相六拍运行。

8. 步进电动机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θ表示。 • 步进电动机的步距角θ与相数m、转子齿数Z、通电方式C有关，其关系为： • （8—1） • 式中，C为状态系数，当采用单三拍或双三拍方式时，C=1；当采用单、双六拍时，C=2。

9. 增加转子齿数Z， 步距角也可减小。 所以反应式步进电动机的转子齿数一般是很多的。 通常反应式步进电动机的步距角为零点几度到几度。 如果将转子齿数看作为转子的极对数， 那末一个齿就对应360°电角度(或2π电弧度)， 即用电角度(或电弧度)表示的齿距角为 • θte=360° 或 θte=2π rad • 相应的步距角为

10. (8 - 3) • 或 所以当拍数一定时， 不论转子齿数多少， 用电角度表示的步距角均相同。 可见， 与一般电机一样， 电角度等于机械角度乘 上极对数(这里是转子齿数)。

11. (3) 反应式步进电动机可以按特定指令进行角度控制， 也可以进行速度控制。 角度控制时， 每输入一个脉冲， 定子绕组就换接一次， 输出轴就转过一个角度， 其步数与脉冲数一致， 输出轴转动的角位移量与输入脉冲数成正比。 速度控制时， 送入步进电动机的是连续脉冲， 各相绕组不断地轮流通电， 步进电机连续运转， 它的转速与脉冲频率成正比。 即转速为 式中， f为控制脉冲的频率， 即每秒输入的脉冲数。

12. 由上式可见， 反应式步进电动机转速取决于脉冲频率、 转子齿数和拍数， 而与电压、 负载、 温度等因素无关。 当转子齿数一定时， 转子旋转速度与输入脉冲频率成正比， 或者说其转速和脉冲频率同步。 改变脉冲频率可以改变转速， 故可进行无级调速， 调速范围很宽。 另外， 若改变通电顺序， 即改变定子磁场旋转的方向， 就可以控制电机正转或反转。 所以， 步进电动机是用电脉冲进行控制的电机。 改变电脉冲输入的情况， 就可方便地控制它， 使它快速启动、 反转、 制动或改变转速。

13. 步进电动机的转速还可用步距角来表示， 式中， θ为用度数表示的步距角。