步进电机的种类结构及工作原理共5页文档.docx

步进电机的种类、结构及工作原理步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统在此系统中，执行元件是步进电机它受驱动 控制线路的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械 转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较 差，速度也受到步进电机性能的限制但它的结构和控制简单、容易调整，故在速度和精度 要求不太高的场合具有一定的使用价值1.步进电机的种类步进电机的分类方式很多，常见的分类方式有按产生力矩的原理、按输出力矩的大小以及按 定子和转子的数量进行分类等根据不同的分类方式，可将步进电机分为多种类型，如表 5-1所示表5-1步进电机的分类分类方式具体类型按力矩产生的原理（1） 反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行（2） 激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢），由电磁力矩实现步进运行按输出力矩大小（1） 伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几（N・m）只能驱 动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载（2） 功率式：输出力矩在5-50 N-m以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载按定子数（1）单定子式（2）双定子式（3）三定子式（4）多定子式按各相绕组分布（1） 径向分布式：电机各相按圆周依次排列（2） 轴向分布式：电机各相按轴向依次排列2.步进电机的结构目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。

在反应式步进电机中，有轴向分相和径向 分相两种，如表5--1所述图5--2是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图它与普通电机 一样，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁心和定子绕组定子铁心由电工钢片 叠压而成，其形状如图中所示定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈，在 直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组图5--2所示的步进电 机可构成三相控制绕组，故也称三相步进电机若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极， 其方向即图中所示的NS极在定子的每个磁极上，即定子铁心上的每个齿上又开了5个小 齿，齿槽等宽，齿间夹角为9°，转子上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，齿槽也是等 宽的，齿间夹角也是9°，与磁极上的小齿一致此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置 上依次错开1/3齿距，如图5--3所示当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相 磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿1/3齿距角，C相磁极齿超前（或滞后）转子齿2/3齿距角图5-2单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图图5-3步进电机的齿距图5--4是一个五定子、轴向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。

从图中可以看出， 步进电机的定子和转子在轴向分为五段，每一段都形成独立的一相定子铁心、定子绕组和转 子，图5--5所示的是其中的一段各段定子铁心形如内齿轮，由硅钢片叠成转子形如外 齿轮，也由硅钢片制成各段定子上的齿在圆周方向均匀分布，彼此之间错开1/5齿距，其 转子齿彼此不错位当设置在定子铁心环形槽内的定子绕组通电时，形成一相环形绕组，构 成图中所示的磁力线除上面介绍的两种形式的反应式步进电机之外，常见的步进电机还有永磁式步进电机和永磁 反应式步进电机，它们的结构虽不相同，但工作原理相同3. 步进电机的工作原理步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理图5--6是一种最简单的反应式步进电机， 下面以它为例来说明步进电机的工作原理图5--6(a)中，当A相绕组通以直流电流时，根据电磁学原理，便会在AA方向上产生一磁 场，在磁场电磁力的作用下，吸引转子，使转子的齿与定子AA磁极上的齿对齐若A相 断电，B相通电，这时新的磁场其电磁力又吸引转子的两极与BB磁极齿对齐，转子沿顺时 针转过60°通常，步进电机绕组的通断电状态每改变一次，其转子转过的角度a称为步距 角因此，图5--6(a)所示步进电机的步距角a等于60°。

如果控制线路不停地按 A-B-C-A...的顺序控制步进电机绕组的通断电，步进电机的转子便不停地顺时针转动 若通电顺序改为A—C—B—A...，同理，步进电机的转子将逆时针不停地转动图5-4五定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图图5-5 一段定子、转子及磁回路上面所述的这种通电方式称为三相三拍还有一种三相六拍的通电方式，它的通电顺序是： 顺时针为 A — AB — B — BC — C — CA — A ...；逆时针为 A — AC — C— CB — B — BA - A. o若以三相六拍通电方式工作，当A相通电转为A和B同时通电时，转子的磁极将同时受到 A相绕组产生的磁场和B相绕组产生的磁场的共同吸引，转子的磁极只好停在A和B两相 磁极之间，这时它的步距角a等于30°o当由A和B两相同时通电转为B相通电时，转子 磁极再沿顺时针旋转30°，与B相磁极对齐其余依此类推采用三相六拍通电方式，可使 步距角a缩小一半图5-6步进电机工作原理图图5--6(b)中的步进电机，定子仍是A，B，C三相，每相两极，但转子不是两个磁极而是 四个当A相通电时，是1和3极与A相的两极对齐，很明显，当A相断电、B相通电时， 2和4极将与B相两极对齐。

这样，在三相三拍的通电方式中，步距角a等于30°，在三相 六拍通电方式中，步距角a则为15°o综上所述，可以得到如下结论：(1) 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电 机的步距角a；(2) 改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变;(3) 步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变 化频率越高，转子的转速越高；(4) 步进电机步距角a与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可用下式表示：(5-1)式中m相m拍时，k=1； m相2m拍时，k=2；依此类推对于图5--2所示的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机，当它以三相三拍通电方式工 作时，其步距角为若按三相六拍通电方式工作，则步距角为4. 步进电机的主要特性(1) 步距角步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转 过的角度它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数数控机床中常见的反应式步进电机 的步距角一般为步距角越小，数控机床的控制精度越高2) 矩角特性、最大静态转矩M.max和启动转矩Mq矩角特性是步进电机的一个重要特性， 它是指步进电机产生的静态转矩与失调角的变化规律。

3) 启动频率fq空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最 高频率，称为启动频率或突跳频率若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动 空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率4) 连续运行的最高工作频率fmax步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运 行的极限频率，称为最高工作频率它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决 定了步进电机的最高转速⑸加减速特性步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到 静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系当要求步进电机启动到 大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样，从最高工作频率或高于突跳频 率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降逐渐上升和下降的加速时间、减速时间不能 过小，否则会出现失步或超步我们用加速时间常数Ta和减速时间常数Td来描述步进电 机的升速和降速特性，如图5-8所示图5-8加减速特性曲线。