步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

第13章特種電機(jī)13.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的控制電機(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(shuō)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(lèi)：1）反應(yīng)式：

轉(zhuǎn)子為軟磁材料，無(wú)繞組，定、轉(zhuǎn)子開(kāi)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(kāi)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(kāi)小齒，轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好、步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)13.7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。定子轉(zhuǎn)子定子繞組13.7.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)13.7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)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)13.7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(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。ABC定子轉(zhuǎn)子IAIBIC13.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)13.7.2工作原理三相步進(jìn)電機(jī)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?yàn)椋篈相

B相

C相13.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（3）工作過(guò)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(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(duì)齊停止轉(zhuǎn)動(dòng)。A相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和AA'對(duì)齊。CA'BB'C'A341213.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)A相通電CA'BB'C'A3412B相通電1C'342CA'BB'AC相通電13.7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，而且，一個(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，所以稱(chēng)三相單三拍。三相單三拍的特點(diǎn)：（1）每來(lái)一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30。此角稱(chēng)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(jìn)電動(dòng)機(jī)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?yàn)椋?/p>

AABBBCCCAA

共六拍。工作過(guò)程：A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和A相對(duì)齊。CA'BB'C'A341213.7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)AA'通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15°。（1）BB'

磁場(chǎng)對(duì)2、4齒有磁拉力，該拉力使轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。A、B相同時(shí)通電（2）AA'

磁場(chǎng)繼續(xù)對(duì)1、3齒有拉力。CA'BB'C'A341213.7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(chēng)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(duì)齊，又轉(zhuǎn)了15。13.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三、三相雙三拍三相繞組的通電順序?yàn)椋?/p>

AB

BC

CA

AB

共三拍。AB通電CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通電13.7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)，每通入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30，即S=30。CA通電CA'BB'C'A341213.7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3度和1.5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，圖中轉(zhuǎn)子40個(gè)齒，定子仍是6個(gè)磁極，但每個(gè)磁極上也有五個(gè)齒。13.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(duì)齊，定子磁極上的小齒，齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相同。13.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理：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

120/9=齒13.7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，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。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(guò)1/3個(gè)齒（3），使B相轉(zhuǎn)子、定子對(duì)齊。13.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)1）步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，每相繞組由專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)電源通過(guò)“環(huán)形分配器”按一定規(guī)律輪流通電。步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)機(jī)通過(guò)一個(gè)電脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度,稱(chēng)為步距角。N:一個(gè)周期的運(yùn)行拍數(shù)Zr：轉(zhuǎn)子齒數(shù)如：Zr=40,N=3時(shí)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(jìn)電動(dòng)機(jī)

3)轉(zhuǎn)速每輸入一個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)即轉(zhuǎn)過(guò)整個(gè)圓周的1/(ZrN）,也就是1/(ZrN）轉(zhuǎn)因此每分鐘轉(zhuǎn)過(guò)的圓周數(shù)，即轉(zhuǎn)速為4)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)脈沖控制的繞組繼續(xù)通電時(shí)，電機(jī)可以保持在固定位置。13.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的構(gòu)成1、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、電流都滿(mǎn)足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需要；2）要滿(mǎn)足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率的要求；3）能最大限度地抑制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩；4）工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)；5）成本低、效率高、安裝和維護(hù)方便。13.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2、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、脈沖分配器和脈沖放大器（也稱(chēng)功率放大器）三部分組成。

13.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jī)按一定方式運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)