步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1、第第13 13章章 特種電機(jī)特種電機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移機(jī)械角位移的控制的控制電機(jī)，常作為數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。電機(jī)，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(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理以反應(yīng)式為例說明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理通常按勵(lì)磁方式分為三大類：通常按勵(lì)磁方式分為三大類：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類13.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 步進(jìn)電機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子，它們均步進(jìn)電機(jī)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。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(gè)、四個(gè)磁極以三相為例其定子

2、和轉(zhuǎn)子上分別有六個(gè)、四個(gè)磁極 。定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子繞組定子繞組13.7.1 13.7.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)13.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)13.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子的六個(gè)磁極上有控制繞組，兩個(gè)相對(duì)的磁極組定子的六個(gè)磁極上有控制繞組，兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一相。成一相。這里的相和三相交流電中的這里的相和三相交流電中的“相相”的概念不同。步進(jìn)的概念不同。步進(jìn)機(jī)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。機(jī)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定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子IAIBI

3、C13.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)13.7.2 工作原理工作原理 三相步進(jìn)電機(jī)的工作方式可分為：三相步進(jìn)電機(jī)的工作方式可分為：三相單三拍、三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍三相單雙六拍、三相雙三拍等等。（1 1）三相繞組聯(lián)接方式：）三相繞組聯(lián)接方式：Y 型型（2 2）三相繞組中的通電順序?yàn)椋海┤嗬@組中的通電順序?yàn)椋篈 相相 B 相相 C 相相13.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（3）工作過程）工作過程 A 相通電，相通電，A 方向的磁通經(jīng)方向的磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場(chǎng)軸線方向原有一定角度，磁場(chǎng)軸線方向原有一定角度，則在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子被磁

4、則在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子被磁化，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置化，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，力圖使通電相磁路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊停止轉(zhuǎn)動(dòng)。使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊停止轉(zhuǎn)動(dòng)。A A 相通電使轉(zhuǎn)子相通電使轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒和齒和 AA 對(duì)齊。對(duì)齊。CABBCA341213.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)A相通電相通電CABBCA3412B相通電相通電1C342CABBAC相通電相通電13.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，所以稱三相而且，一個(gè)循環(huán)周期共

5、包括三個(gè)脈沖，所以稱三相單三拍。單三拍。三相單三拍的特點(diǎn)：三相單三拍的特點(diǎn)：（1）每來一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過）每來一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 30 。此角稱為。此角稱為步距角，用步距角，用 S表示。表示。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，）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。改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。13.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 反轉(zhuǎn)：反轉(zhuǎn)： A 相相 C 相相 B 相相 A 相相 B 相相 C 相相正轉(zhuǎn)：正轉(zhuǎn)：二、三相單雙六拍二、三相單雙六拍三相繞組的通電順序?yàn)椋喝嗬@組的通電順序?yàn)椋?AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作過程：工作過程：A

6、相通電，相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒和齒和A相對(duì)齊。相對(duì)齊。CABBCA341213.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)AA 通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15。（1）BB 磁場(chǎng)對(duì)磁場(chǎng)對(duì) 2、4 齒有磁拉力，該拉力使齒有磁拉力，該拉力使 轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。A、B相同時(shí)通電相同時(shí)通電（2）AA 磁場(chǎng)繼續(xù)對(duì)磁場(chǎng)繼續(xù)對(duì)1、3齒有拉力。齒有拉力。CABBCA341213.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距

7、角為為三相六拍，步距角為15 。CABBCA3412B相通電，相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子2、4齒和齒和B相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了15 。13.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三、三相雙三拍三、三相雙三拍三相繞組的通電順序?yàn)椋喝嗬@組的通電順序?yàn)椋?AB BC CA AB 共三拍。共三拍。AB通電通電CABBCA3412CABBCA3412BC通電通電13.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六以上三種工作方式，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。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(shí)，工作方式為三相雙三拍時(shí)，每通入一個(gè)電脈

8、沖，轉(zhuǎn)子也是每通入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)30 ，即，即 S = 30 。CA通電通電CABBCA341213.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)小步距角的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)小步距角的步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 實(shí)際采用的步進(jìn)電機(jī)的步距角多為實(shí)際采用的步進(jìn)電機(jī)的步距角多為3度和度和1.5 度，步距角越小，機(jī)加工的精度越高。度，步距角越小，機(jī)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，為產(chǎn)生小步距角，定、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，圖中轉(zhuǎn)子圖中轉(zhuǎn)子40個(gè)齒，定子仍是個(gè)齒，定子仍是 6個(gè)磁極，但每個(gè)磁個(gè)磁極，但每個(gè)磁極上也有五個(gè)齒。極上也有五個(gè)齒。13.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的齒距轉(zhuǎn)子的齒距等于等于360

9、 / 40=9 ，齒寬、齒槽各，齒寬、齒槽各4.5 。 為使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊，定子磁極上的小齒，為使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊，定子磁極上的小齒，齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相同。齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相同。13.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理：工作原理：假設(shè)是單三拍通電工作方式。假設(shè)是單三拍通電工作方式。（1）A 相通電時(shí)，定子A 相的五個(gè)小齒和轉(zhuǎn)子對(duì)齊。此時(shí)，B 相和 A 相空間差120，含 120120 /9/9 = = 齒齒3113322613.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 個(gè)齒。所以，A 相的轉(zhuǎn)子、定子的五個(gè)小齒對(duì)齊時(shí)，B 相、C 相不能對(duì)齊，B相

10、的轉(zhuǎn)子、定子相差 1/3 個(gè)齒（3），C相的轉(zhuǎn)子、定子相差2/3個(gè)齒（6）。若工作方式改為三相六拍，則每通一個(gè)電脈沖，若工作方式改為三相六拍，則每通一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn) 1.5 。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向仍由相序決定。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向仍由相序決定。同理，同理，C 相通電再轉(zhuǎn)相通電再轉(zhuǎn)3 （2）A 相斷電、相斷電、B 相通電后，轉(zhuǎn)子只需轉(zhuǎn)過相通電后，轉(zhuǎn)子只需轉(zhuǎn)過1/3個(gè)個(gè) 齒（齒（3 ），使），使 B 相轉(zhuǎn)子、定子對(duì)齊。相轉(zhuǎn)子、定子對(duì)齊。13.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)1 1）步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，每相繞組由步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，每相繞組由專門的驅(qū)動(dòng)電源專門的驅(qū)動(dòng)電源

11、通通過過“環(huán)形分配器環(huán)形分配器”按一定規(guī)律按一定規(guī)律輪流通電。輪流通電。步進(jìn)電機(jī)輪流通電方式步進(jìn)電機(jī)輪流通電方式分配方式分配方式每一次循環(huán)所包含的通電狀態(tài)數(shù)每一次循環(huán)所包含的通電狀態(tài)數(shù)拍數(shù)拍數(shù)狀態(tài)數(shù)狀態(tài)數(shù)= =相數(shù)相數(shù)單拍制分配方式單拍制分配方式 ( (如：三相單三拍、四相雙四拍如：三相單三拍、四相雙四拍) )狀態(tài)數(shù)狀態(tài)數(shù)= =相數(shù)的兩倍相數(shù)的兩倍雙拍制分配方式雙拍制分配方式 ( (如：三相六拍、四相八拍如：三相六拍、四相八拍) )Nff 相通電脈沖頻率通電脈沖頻率拍數(shù)拍數(shù)13.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)機(jī)通過一個(gè)電脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度步進(jìn)機(jī)通過一個(gè)電脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度,稱為稱為N:

12、一個(gè)周期的運(yùn)行拍數(shù)一個(gè)周期的運(yùn)行拍數(shù)Zr：轉(zhuǎn)子齒數(shù)：轉(zhuǎn)子齒數(shù)NZrS360如：如：Zr=40 , N=3 時(shí)時(shí)3340360S2) 步距角步距角拍數(shù)：拍數(shù)：N=kmk=1 1 單拍制單拍制2 2 雙拍制雙拍制m:m:相數(shù)相數(shù)13.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 3) 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速每輸入一個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)過每輸入一個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)過NZrS360min)/(63603606060rfNZfNZfnsrr即轉(zhuǎn)過整個(gè)圓周的即轉(zhuǎn)過整個(gè)圓周的1/(Z1/(Zr rN N）, , 也就是也就是1/(Z1/(Zr rN N）轉(zhuǎn)）轉(zhuǎn)因此每分鐘轉(zhuǎn)過的圓周數(shù)，即轉(zhuǎn)速為因此每分鐘轉(zhuǎn)過的圓周數(shù)，即轉(zhuǎn)速為4)4)步進(jìn)電機(jī)具

13、有自鎖能力步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力當(dāng)控制脈沖停止輸入、而使最后一個(gè)脈沖控制的繞當(dāng)控制脈沖停止輸入、而使最后一個(gè)脈沖控制的繞組繼續(xù)通電時(shí)，電機(jī)可以保持在固定位置。組繼續(xù)通電時(shí)，電機(jī)可以保持在固定位置。13.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1 1、對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的基本要求、對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的基本要求1）驅(qū)動(dòng)電源的相數(shù)、通電方式和電壓、電流都）驅(qū)動(dòng)電源的相數(shù)、通電方式和電壓、電流都 滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需要；滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需要；2）要滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率的）要滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率的要求；要求；3）能最大限度地抑制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩；）能最大限度地抑制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩；4）工作可靠，抗干擾

14、能力強(qiáng)；）工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)；5）成本低、效率高、安裝和維護(hù)方便。）成本低、效率高、安裝和維護(hù)方便。13.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2 2、驅(qū)動(dòng)控制器的組成、驅(qū)動(dòng)控制器的組成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源主要由脈沖發(fā)生器、脈沖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)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）三部分分配器和脈沖放大器（也稱功率放大器）三部分組成。組成。 脈脈沖沖分分配配器器 脈脈沖沖發(fā)發(fā)生生器器 功功率率放放大大器器 步步進(jìn)進(jìn) 電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī) 指指令令 電電源源 13.7 13.7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jī)按一定方式運(yùn)行，實(shí)相繞組的功率放大器上，使電機(jī)按一定方式運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)和定位?，F(xiàn)正、反轉(zhuǎn)和定位。傳