1、第四章步進電動機§4-1概 述步進電動機(stepping motor)是將電脈沖信匕轉換為相皿的角位移或H線位移的種特殊電機。 每輸入個電脈沖信號，電機就轉動一個角度，它的運動形式是步進式的，所以稱為步進電動機。 又山它輸入的是脈沖電流，所以也叫脈沖電動機。步進電動機在不盂要變換的情況F,能直接將數字脈沖信號轉換成角位移或線位移，因此它很 適合作為數字控制系統的伺服元件。此外，它還八仃一系列的優點，一是輸出角位移砒或線位移彊 與其輸入的脈沖數成正比，而轉速或線速度與脈沖的頻率成正比，在負戲能力范他內，這些關系不 受電壓的人小、負載的人小、環境條件等外界各種因索的干擾。二是它每轉-周

2、都仃固定的步數， 所以步進電動機在不失步的情況卜左行，其步距沒差不會K期積累。三是控制性能好，它可以在開 環系統屮在很寬的范用內通過改變脈沖的頻率來調*電機的轉速，并且能夠快速心動、制動和反轉。 四是仃些型式的步進電動機在停止供電的狀態卜還仃遲位轉矩，仃些型式在停機后某些相繞組仍保 持通電狀態，n/jrim能力.不需耍機械制動裝宜等。當采用速度和位宣檢測裝迓后，它可構成閉 環控制系統。計算機技術、電力電了技術和微電子技術的發展，給步進電動機的應用開辟了廣闊的前景，應 用護常廣泛。如數控機床、繪圖機、門動記錄儀表、遙控裝置和航空系統等等，都人屆使用步進電 動機。步進電動機的主耍缺點是效率較低，并

3、且盂耍專用電源供給電脈沖信號，帶負棧慣昴的能力不 強，在運行中會出現共振和振蕩問題“步進電動機的種類很多，主耍仃反應式、永磁式和混介式。近年來又發展冇ri線步進電動機和 平面步進電動機等。氏中反應式步進電動機結構較簡單應用比較普遍，而且其他類熨步進電動機的 基本原理與它基木相似，所以木章著重分析反應式步進電動機。§4-2反應式步進電動機的結構及工作原理一、反應式步進電動機的結構反應式步進電動機的結構形式很筋，按定轉子鐵芯的段數分為單段式和多段式兩種。1. 單段式單段式是定轉子為一段鐵芯。由r各相繞組沿関周方向均勻排列，所以又稱為徑向分相式。它 是步進電動機屮使用最多的一種給構形式。如

4、圖41為三相反應式步進電動機的徑向截面圖定轉 子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，定子磁極為凸極式，磁極的極面上開有小齒。定子 上有三套控制繞組，每一套有崗個串聯的集屮控制繞組分別繞在徑向相對的兩個磁極上。每套繞組 叫-相，三相繞組接成星形，所以定子磁極數通常為相數的兩倍，即(P為極對數.加為相 數)。轉子上沒何繞組，沿関周也仃均勻的小齒，其齒距和定子磁極上小齒的齒距必須相等，I何II 轉子的齒數何一泄的限制.這種結構形式的優點是制造簡便，將度易j:保證，步距角町以做得較小, 容易紂到較高的啟動和運彳j頻率。其缺點是在電機的口徑較小而相數乂較多時，沿徑向分相較為困難，消耗功率人.斷電時無定位轉矩"

5、;2. 多段式多段式是定轉了恢芯沿電機軸向按相數分成加段。di r各相繞組沿著軸向分布，所以又稱為軸向分相式按其磴路的結構特點仃兩種，種是主磁路仍為徑向，另-種是主礎路包含仃軸向部分。多段式徑向磁路步進電動機的結構如圖42所示，每-段的結構和取段式徑向分相結構相似。 通常每一相繞組在-段定了鐵芯的各個磁極上。定了的磁極數從結構介理考慮決定，最多可以和轉 子齒數相等。定轉了鐵芯的圓周上都仃齒形相近和齒距和同的均勻小齒，轉了齒數通常為定子極數 的倍數。定子鐵芯（或轉子鐵芯）每相鄰兩段沿圓周錯開1/加齒距。此外，也可以在一段鐵芯上放 置兩相或三相繞組，定子鐵芯（或轉了鐵芯）每相鄰兩段耍錯開相應的齒距

6、.這樣，可増加電機制 造的靈活性。.圖42芬段式能向磁路反應式步進電動機1線圏：2定子：3轉子t式軸向St路步進電動機的結構如圖兮3所示.每段快芯為II字形,在其中間放置環形 控制繞組。定轉子飲芯上均仃齒形相近和齒數相等的小齒。定子鐵芯（或轉子鐵芯）每相鄰兩段沿 関周錯開/m齒距。影段式結構的共同特點是鐵芯分段和錯位裝配藝比較復朵，粘度不易保證，特別對步距角較 小的電機更是閑難.但步更角可以做的很小.啟動和運行頻率較高.對軸向磁路的結構.定子空間 利用率高，環形控制繞組繞制方便，轉子的慣帚較低。2345VJ艸訓範馳ABCDE圖4-3多段式軸向磁路反應式步進電動機I一線圈：2定子：3犯：4一轉子

7、：5引出線二、反應式步進電動機的工作原理反應式步進電動機是利用凸極轉了交軸磁阻與軸磁阻Z簽所產生的反應轉矩而轉動的，所以 也稱為磁阻式步進電動機。現以-個最簡單的三相反應式步進電動機為例，說明其工作原理。圖4-4是一臺三相反應式步進電動機的原理圖。定子鐵芯為凸極式，共仃三對(六個)磁極， 每兩個相對的礎極上繞仃一相控制繞組。轉子用軟磁性材料制成，也是凸極結構，只仃四個齒，齒 寬等丁定子的極靴寬。下面通過幾種基本的控制方式來說明其工作原理。(a)(b)(c)圖44三相反應式步進電動機的原理圖1.三和單三拍通電方式當A相控制繞組通電，其余兩相均不通電，電機內建立以定子A相極為軸線的磁場。由J：磁

8、通八仃力圖走磁阻最小路徑的特點，使轉子齒1、3的軸線與泄子A相極軸線對齊，如圖4-4 (a) 所示o A相控制繞組斷電，B相控制繞組通電時，轉子在反應轉矩的作川F,逆時針方向轉過30。, 使轉子齒2、4的軸線與定子B相極軸線對齊，即轉子走了一步,如圖44 (b)所示。若再斷開B 相，使C相控制繞組通電，轉子又轉過30°,使轉子齒1、3的軸線與定子C相極軸線對齊，如圖 4-4 (c)所示。如此按A-B-C-A的順序輪流通電，轉子就會一步一步地按逆時針方向轉動。其 轉速取決J；各相控制繞組通電與斷電的頻率，旋轉方向取決控制繞組輪流通電的順庁。若按AC -B-A的順序通電，則電機按順時針反

9、方向轉動。上述通電方式稱為三相單三拍運彳亍。“三和”足指三相步進電動機：“單”是指每次只仃相控 制繞組通電：控制繞組每改變-次通電方式稱為-扌n, “三拍”是指經過三次改變通電方式為-個循壞。我們稱每一拍轉子轉過的角度為步距角，常用Q來表示。三相單三拍運行時乞= 30。2.三相雙三拍通電方式控制繞組的通電方式為AB-BC-CA-AB或AB-CA-BC-AB“每拍同時冇兩和繞組通電.三拍 為一個循環"半A、B兩相控制繞組同時通電時，轉子齒的位置應同時考慮到兩対定子極的作用， 只有A相極和B相極對轉子齒所產生的磁拉力相平衡.才是轉子的平衡位置，如圖4-5 (a)所示。 擰卜一折為B、C兩

10、相同時通電時.則轉子按逆時針轉過30。到達新的平衡位置，如圖4-5 (b)所 示.可見，雙三拍運行時的步距角仍是30。但雙三拍運行時，每一拍總有一相繞組持續通電，例 如由A、B兩相通電變為B、C兩相通電時，B相保持持續通電狀態。C相磁拉力力圖使轉子逆時針 方向轉動，而B相磁拉力卻起有阻止轉子繼續向前轉動的作用，即起到一定的電磁阻尼作用.所以 電機作比較平穩。而在三相單三拍運行時，由J：沒冇這種阻尼作用.所以轉子達到新的平衡位置 容易產生振蕩，穩定性不如雙三拍運行方式圖45三相雙三拍運彳亍方式(a)AB相導通:(b)BC相導通3. 三相單、雙六拍通電方式控制繞組的通電方式為A-AB-B-BC-C

11、-CA-A或A-AC-C-CB B-BA-A,即一相通電和兩 相通電間隔地輪流進彳J：,完成一個循環需耍經過八次改變通電狀態。肖A相控制繞組通電時和單三 拍運行的情況相同，如圖4-4 (a)所示。當A、B兩相同時通電時和雙三拍運行的情況相同，轉子 只能按逆時針方向轉過15。，如圖4-5 (a)所示。當斷開A相使B相單獨接通，轉子繼續按逆時針 方向，又轉過15°,如圖44 (b)所示。依次類推，若繼續按BC-C-CA-A的順序通電，步進電 動機就一步一步地按逆時針方向轉動。若通電順序變為A-AC-C-CB-B-BA-A時，步進電動機 將按順時針反方向旋轉。可見單、雙六拍運行時,步距角為

12、15。，比三拍通電方式時減小半。因 此，同-臺步進電動機,采用不同的通電方式，可以有不同的拍數,對應運行時的步距角也不同。此外，六拍運彳亍方式每一拍也總何 相控制繞組持續通電，也幾有電磁阻尼作用，電機工作也 比較平穩。以上這種結構形式的反應式步進電動機，它的步距角較人，常估滿足不了系統粘度的耍求。所 以，人多數采用如圖4-1所示的定了磁極上帶仃小齒，轉子齒數很多的反應式結構，其步距角可以 做得很小。下面進一步說明它的工作原理。圖所示的是瑕常見的種小步距角的三相反應式步進電動機。定子每個極面上仃5個齒， 轉子上均勻分布40個齒，定轉子的齒寬和齒距都相同。當A相控制繞俎通電時，轉子受到反應轉 矩的

13、作用，使轉子齒的軸線和定子A、A'極卜齒的軸線對齊。因轉子上共仃40個齒，其齒距角為40 c3G0°/40=9%定了每個極距所占的齒數為=6,不是整數.如圖4-6所示。因此，當定了 A相 63極下定轉子齒對齊時,定子B相極和C相極F的齒和轉子齒依次有1/3齒距的錯位,即3。；同樣， 當A相斷電,B相控制繞組通電時,在反應轉矩的作用卜，轉子按逆時針方向轉過3。，使轉子齒的 軸線和定子B相極F齒的軸線對齊。這時,定子C相極和A相極卜的齒和轉子齒又依次錯開1/3齒 距。依次類推，若繼續按單三拍的順序通電，轉子就按逆時針方向一步一步地轉動，步距角為3。 當然改變通電順序，即按A-C-

14、B-A,電機按順時針方向反轉。7圖4-6定、轉子展開圖（A相繞組通電）若采用三相單、雙六拍的通電方式運行時，和前面分析的道理完全-樣，步距角也減小一半為 1.5°.通過以上分析可知，轉子的齒數不能任盤選収。因為在同一相的幾個磴極卜，定轉子齒應同時 對齊或同時錯開，才能使幾個磁極的作用相加，產生足夠的反應轉矩，所以轉子齒數應是定子磁極 的偶數倍。另外，在不同相的磁極匚定轉了相對位豐應依次錯開1/加齒距，這樣才能在連續改變 通電狀態卜，獲得連續不斷的運動。否則，當某一相控制繞組通電時，轉了齒都將處誡路的磁阻 垠小的位置上，齊相繞組輪流通電時，轉了將一直處J靜止狀態，電動機不能正常運行。為

15、此，要 求兩相鄰相磁極軸線之間轉子的齒數應為整數加或減1/加，即71=r±-（4-DImpm式中：K為正籟數：乙為轉子的齒數：2p為一相繞組通電時在圓周上形成的磁極數。如來以N表示步進電動機運行的拍數，則轉子經過"步，將轉過一個齒距“每轉一圈（即360。360°機械角），需要走NZ步.步距角為(4-2)N = Cm式中：C為通電狀態系數。當采用單拍或雙拍方式時.C=l： I/IJ采用單、雙拍方式時，C=2e由此町見.増加拍數和轉子的齒數可以減小步距角.白利,提窩控制精度。増加電機的相數可 以增加拍數，也可以減小步距角。但相數越筋，電源及電機的結構越復雜，造價也越高

16、。反比式步 進電動機一般做到六相，個別的也令八相或更多相。増加轉子的齒數是減小步進電動機步距角的一 個令效途徑，H前所使用的步進電動機轉子的齒數一般很命.對相同相數的步進電動機既町釆用單 拍方式，也可采用單、雙拍方式。所以同一臺電機可有兩個步距角,如3。/1 5。、15。/075。、1 2°/0 6° 等。60/當通電脈沖的頻率為/時，由J：轉子每經過個脈沖旋轉一周，故步進電動機每分鐘的轉速 為(4-3)式中：產的單位為HZ.可見，反應式步進電動機的轉速與拍數N、轉子齒數乙及脈沖的頻率仃關。肖轉子齒數一定. 轉速與輸入脈沖的頻率成正比.改變脈沖的頻率可以改變電機的轉速。&#

17、167;4-3反應式步進電動機的靜態特性、矩角特性(Torgue-angle characteristic)步進電動機的一相或兒相控制繞組通入玄流電流，且不改變它的通電狀態，這時轉子將固泄J* 某一平衡位宣上保持不動，稱為靜止狀態(簡稱靜態)。在空我情況卜，轉了的平衡位宣稱為初始 穏定平衡位置。靜態時的反應轉矩叫靜轉矩，在理想空載時靜轉矩為零。當仃擾動作用時，轉子偏 離初始穩定平衡位置，偏離的電角度e稱為火調角。靜轉矩與轉子失調角的關系，即t = y(e),稱 為矩角特性。反應式步進電動機轉子轉過一個齒距，從磁路情況來看，變化了一個周期。因此，轉子一個齒 距所對應的電角度為2兀電弧度或360。

18、電角度。設靜轉矩T和火調角8從右向左為正。當失調角&=0時，泄轉子齒的軸線巫合，靜轉矩r=o,如 圖4-7 (a)所示：當6>0時，切向磁拉力使轉子向右移動，靜轉矩TV0,如圖4-7 (b)所示：當6 V0時，切向磁拉力使轉子向左移動，靜轉矩7>0,如圖47 (c)所示：當6=7：時，定子齒與轉子 槽正好相対，轉子齒受到定子相鄰兩個齒磁拉力作用，但人小相等、方向相反，產生的靜轉矩為零, 即7=0,如圖4-7 (d)所示。y WW7：()ri 0 0(b)(c)圖4-7靜轉矩與轉子位置的關系(a) e=0: (b) e>0： (c)0<O： (d)反應式步進電動機

19、的靜轉矩由機電能杲轉換原理可推導出數學表達式。(4-4)若不計電機磁路鐵芯部分中磁場能杲或磁共能變化的影響，當只何一相繞組通電時，儲存在電 機氣隙中的俺場能最為nt式中：Z為每相控制繞組的口感：Z為通入控制繞組中的電流。當磁鏈保持不變靜轉矩的人小等磁場能屆對機械角位移的變化率，即(4-5)式中密b為電機轉子的機械角位移.用失調角(電角度)表示.則e=zrB相繞組的門感(4-6)式中：爐為每相控制繞組的匝數：為每相控制繞組的磁通；A為每相控制繞組對應的磁導。如果略去磁導中高次諧波的影響，步進電動機的磁導近似地繪出如圖48所示的曲線，當定轉 子的齒正好對齊時，氣隙磁導最大,用直軸磁導A“表示:當定

20、子齒和轉子槽相對時，氣隙磁導最 小，用交軸噬導A?表示，其數學關系式為(4-7)(4-8)A = l(Ad + Ag)+l(Arf-Agkose靜轉矩為T = k=丄廠巴二丄(衍尸仝一紅(衍)仏廠Ajsin(ZQ) 祁2祁2、丿祁 4 八d 9'心= -x sui(zrp)= -Tx sin64圖48磁導變化曲線理想的矩角特性是一個止弦波。圖49步進電動機的矩角特件式中：T=ZrAdA稱為最人靜轉矩。在矩角特性上 6=0是理想的穩定平衡位？L因為此時若冇外力矩于擾使轉子偏離它的穩定平 衡位置，只要偏離的角度在兀+7lZ間，一"干擾消失，電機的轉子在靜轉矩的作用下，將門動恢 復

21、到6=0這一位置，從而消除失調角。當6=±兀時，雖然此時T也等J：零，但是如采冇外力矩的干 擾使轉子偏離該位置，當干擾消失時，轉子回不到原來的位置，而是在靜轉矩的作用卜，轉子將穩 定到6=0或？71的位置上，所以6= 土71為不穩定平衡位置。-TlVeVTl之間的區域稱為靜穩定區。在這 一區域內，肖轉子轉軸上的負載轉矩與靜轉矩相平衡時，轉子能穩定在某一位置：勺負我轉矩消失. 轉子又能回到初始穩定平衡位置。二.最大靜轉矩(4-9)半一相繞組通電時.在6=土90。冇最人靜轉矩 忌。升冇多相繞組同時通電時.最人靜轉矩為maxA式中：K為多相控制繞組同時通電時的轉矩增人系數。當兩相控制繞組同

22、時通電時.A：=2cos-；m當三相控制繞紐同時通電時K三1 + 2 °之匚m在一定通電狀態卜，最人靜轉矩勺控制繞組屮電流的關系，即= /(Z),稱為最人靜轉矩特 9性，如圖4-10所示.由鐵磴材料的非線性忌與也呈非線性關系。當控制繞組中電流較小，電機磁路不 飽和時.最人靜轉矩忌與控制繞組中電流/的平方成正比：當電流較犬時由磁飽和的影響. 最大靜轉矩也的増加變緩。圖4-10最大靜轉矩特性三、距角特性族在分析步進電動機動態運行時，不僅要知道某一相控制繞組通電時的矩角特性，而1.耍知道整 個運行過程中，各相控制繞組通電狀態卜的矩角特性，即所謂矩角特性族。以三相單三拍的通電方 式為例，廿將

23、失調角e的坐標軸統一取在A相磁極的軸線上，顯然A相通電時矩角特性如圖4-11 中曲線A所示,穩定平衡點為Oa點:B相通電時,轉子轉過1/3齒距，相當轉過2兀/3電角度, 它的穩定平衡點應為6點，矩角特性如圖4-11屮曲線B所示；同理，C相通電時矩角特性如圖4-11 中曲線C,這三條曲線就構成了三相單三拍通電方式時的矩角特性族。總Z,矩角特性族中的每- 條曲線依次錯開一個用電角度表示的步矩角e”ejr = zr6, = (4-10)" N同理，可得到三和單、雙六拍通電方式時的矩角特性族，如圖412所示。§4-4反應式步進電動機的動態特性動態特性是指步進電動機在運行過程屮的特性

24、。它11接影響系統丁作的可確性和系統的快速反 應。一、單步運行狀態單步運行狀態是指步進電動機在一相或多相控制繞組通電狀態F,僅改變一次通電狀態時的運 行方式。（一）動穩定區當A相控制繞組通電時.矩角特性如圖4-13中的曲線A所示.著步進電動機為理想空載則 轉子處F穩定平衡點6處如果將A相通電改變為B柑通電，那么矩角特性W向前移動一個步距角 %變為曲線B.6點為新的穩定'卜衡點。由J：在改變通電狀態的初瞬轉子位置來不及改變還處j-e=o 的位置，対應的電磁轉矩卻由0突變為耳（曲線B上的C點）。電機在該轉矩的作用卜，轉子向新 的穩定平衡位置移動，直至到達0.點為止。對應它的靜穩定區為（5+

25、兀）<0< 5+兀）.即改 變通電狀態的瞬間，只要轉了在這個區域內，就能趨向新的穏定平衡位宣。因此，把后一個通電相 的靜穩定區稱為前-個通電相的動和定區。把初始總定平衡點6與動穩定區的邊界點a Z間的距離 稱為穩定裕度。拍數越多，步距角越小，動穩定區就越接近靜穩定區，穏定裕度越人，運彳亍的穩定 性越好，轉了從原來的穩定平衡點到達新的穩定平衡點的時間越短，能夠響應的頻率也就越高。步進電動機帶恒定負載時,負載轉矩為,且XL,。若A相控制繞組通電,則轉子的穩定 平衡位置為圖4-14 （a）屮曲線A上的0,點，這一點的電磁轉矩止好與負我轉矩相平衡。當輸入一 個控制脈沖信號，通電狀態由A相改

26、變為B相，矩角特性變為曲線B.在改變通電狀態的瞬間電機 產生的電儲轉矩町人J：負我轉矩兀】，電機在該轉矩的作用卜，轉過一個步距角，到達新的穩定平(b)圖4-14整大負載轉矩的確定如果負戯轉矩增人為TL2i W.TL2>Tlt,如圖4-14 （b）,則初始平衡位置為刀點。但在改變通電狀態的瞬間電機產生電磁轉矩為7；, rh所以轉子不能到達新的穩定平衡位置切點，而是向失調角e減小的方向滑動，電機不能帶動負我作步進運彳亍，這時步進電動機實際上是 處J：火控狀態。宙此可見，只仃負載轉矩小J：相鄰兩個矩角特性交心s所對應的電礎轉矩乙，才能保證電機正 常的步進運行，把乙稱為址人負我轉矩，也稱為心動轉

27、矩。當然它比敲人靜轉矩忌要小。曲圖 4-14可求得啟動轉矩幾=T xsin = T cos（4-11）it1B1X°IDMXcK -7一將式（4-10）代入式（4-11）可得G = xux COS = nnx COS（ 1T2 ）NmC由式（4-12）可知，當忌一定.増加運行拍數可以增人啟動轉矩。當通電狀態系數C=1時. 正常結構的反應式步進電動機授少的相數必須是三如果電機的柑數增多，通電狀態系數較人時， 最人負載轉矩也隨Z増人。此外，矩角特性的波形對電動機帶負載的能力也冇較人影響"當矩角特性為平頂波時.幾值接 近J-7x值，電機帶負載能力較人。因此，步進電動機理想的矩角特

28、性應是矩形波。為是步進電動機作單步運行時的負戯轉炬極限值。由J：負載町能發生變化電機還要典旳一定 的轉速。因而實際應用時，最人負戯轉矩比乙要小，通常丑二（0 30 5）忌。（三）轉子振蕩現象上面分析認為當控制繞組改變通電狀態后，轉子單調地趨向半衡位議但實際上由轉子仔慣 性，它要經過一個振蕩過程。通過圖4J3加以說明。步進電動機空載，開始時A相控制繞組通電，轉子處在火調角e=o的位置。當改變為B相繞組 通電時，在電僦轉矩的作用K轉子將加逵趨向新的'卜衡位賢Ob，到達Ob時，業磁轉矩為零，但 速度并不為零。在慣性的作用卜，轉子將繼續轉動越過新的平衡位買Ob，此時電僦轉矩變為負值, 即反方向

29、作用在轉子上,因而電機開始減速。隨著失調角8增犬,反向轉矩也隨之增大,若不考慮 電機的阻尼作用，則轉子將-直轉到8=2兀的位置。轉子轉速減為零。Z后電機在反向轉矩的作用 F.轉子向反方向轉動，乂越過平衡位置Ob，直至20。這樣，轉子就以Ob為中心，在02兀的 區域內來冋作不衰減的振蕩.稱為無陰尼的自由振蕩，如圖4-15所示.圖4-13中矩角特性B的數學表達式為T = -7xsin（6-0jr）（4-13）為電動機的負載轉矩為零，且不計阻尼作用，梵運動方程式為 = -xsm（0-eJ（4-14）式中：丿為轉動部分的轉動慣最。當步距角兀不人人時，偏轉角變動的范H；l就較小，近似認為sin（6 -

30、6W）«6-6W = Zrp-兀（4 -15）式（4-15）代入式（4-14）整理得= _(P_6)(4-16)若初始條件r二0時，B二0. Q=0,則解式（4-16）可得自由振蕩的角頻率為(4-17)口由振蕩頻率為(4J8)實際上.由J：軸承的摩擦和風阻等的阻尼作用.轉子在半衡位置的振蕩過程總是衰減的.如圖圖4i5無阻尼時轉rridj振蕩0圖416有組尼時轉子的衰減鳩4J6所示。阻尼作用越人衰減的越快.這也是我們所希與的。15#二、連續脈沖運行狀態步進電動機在實際應用中.一般均T作連續脈沖運行狀態。（一）脈沖頻率対電動機匸作的影響步進電動機控制脈沖的頻率往往會在很大范由內變化。脈沖

31、頻率不同，脈沖持續的時間也不同. 步進電動機的丁作情況也截然不同下面分三個頻率區段進行討論.1. 頻率極低時的連續步進運行當控制脈沖頻率極低時.脈沖持續的時間很長.并且人轉子衰減振蕩的時間"也就是說在卜 一個控制脈沖尚未到來時，轉子已經處在某穩定平衡位置。故其每一步都和單步運行一樣.電機具 有明顯的步進特征.如圖4-17所示。2. 頻率很低時的低頻共振'”1控制脈沖的頻率比前-種高，脈沖持續的時間比轉子衰減振蕩的時間短，這時轉子還未穩定 在平衡位冒.卜一個控制脈沖就到來.勺控制脈沖的頻率等或接近步進山動機的振蕩頻率九的 1/K時（后1、2、3），電機就會出現強烈振動,甚至失步

32、和無法工作。步進電動機在空載的情況卜，且不考慮阻尼作用，在控制脈沖的頻率/=托時，電動機將完全失左控制作用.以三相單二拍為例加以說明.如圖18所示.A開始時轉子處J： A相矩角特性的'卜衡位置Oa點，第一個脈沖到來時，通電繞組換為B柑，則 轉子應向B相的平衡位豐Ob點轉動。肖轉子振蕩了一個周期，恰好回到起始穩定平衡位置時，相 當轉子工作點位置在矩角特性B上由OA-dOB-eOB-d,這時第二個脈沖到來，通電繞組乂 換為C相，工作點由矩角特性B上的d點轉移到矩角特性C上的f點。這時轉子受到的電磁轉矩為 負值，所以轉子不向平衡位置0點轉動，而是向0：點轉動，相當轉子在矩角特性C上由f-0：

33、 一g-0； f即轉子反方向振蕩.這時第三個脈沖到來，轉子由f點移到Oa點，此時的電磁轉矩 等J：零，轉子不再轉動。以后朿復上述過程。這樣，無論經過兒個通電循環，轉子始終處在原來的 位置Oa此時電動機完全失控.這個現彖叫低頻共振。可見，在無阻尼低頻共振時步進電動機發 生了失步。一般情況卜一次失步的步數是運行拍數的整數倍。失步嚴雨時.轉子停留在某一位置 上或國繞某一位置振蕩。步進電動機在實際運行時總存在有阻尼作用.尤苴在帶負我或外加阻尼器時，阻尼的作用較 強.轉子振蕩衰減的較快，振蕩的幅度也較小。只耍振蕩的最人幅值處在動穩定區Z內.盡管轉子 有振蕩，電機也能保持不失步.另外.拍數越多.步距角越小

34、，動穩定區就越接近靜穩定區.這樣 也可消除低頻失步。X控制脈沖的頻率等于1/K轉子振蕩頻率時.也何產生共振的可能。圖4-19 ik示轉子振蕩兩 個周期時，卜一個脈沖到來的轉子運動規律。可見，在改變通電狀態時，它的振蕩幅度明顯比第一 個周期婆小得多.這些共振現彖往往不太明顯，一般也不會造成失步。振蕩頻率是客觀存在的它是由系統的電礎參數和機械參數所決定因此.在實際運行時應避 開在共振頻率卜運行。有時為了削弱低頻共振，常常采用阻尼的方法來滿足，陰尼叮分為機械阻尼 和電氣阻尼。機械阻尼是增加電機轉子的卡摩擦阻力或增加粘性陰力：電氣阻尼令多相勵磁和延遲 斷開網種方法，它們都是利用令一相繞組在兩拍間的通電

35、，所產牛的磁場在轉子運動過程中起阻尼 作用。還應指出，低頻共振現象不只是一個特定的脈沖頻率值，而是在它附近的一個頻率區間。只 是在/=%時，共振現象最為明顯.173. 頻率很高時的連續運彳亍當控制脈沖的頻率很高時，脈沖間隔的時間很短，電機轉子尚未到達第一次振蕩的幅值，其至 還沒仃到達新的穩泄平衡位置，卜一個脈沖就到來。此時電機的運彳山步進變成了連續平滑的轉 動，轉速也比較穩定，如圖420所示。當頻率A高時，也會產生火步，其至還會產生高頻振蕩。 請讀者自行分析.(二) 矩頻待性(torque-f?equency characteristic)步進電動機作單步運行時的址人允許負伐轉矩為幾，但當控制

36、脈沖的頻率逐漸增加，步進電動 機的轉速逐漸升高時，步進電動機所能帯的負載使轉矩值將逐步卜降。這就是說，電機轉動時所產 生的電磁轉矩是隨頻率的升高而減小的。把電磁轉矩和脈沖頻率的關系稱為矩頻特性，它是條隨 頻率增加電礎轉矩I、降的曲線，如圖4-21所示。控制脈沖頻率升高，電磁轉矩卜降的主要原因是控制繞組呈電感性，因為它八仃延緩電流變化 的作用。通常外加脈沖電壓都是矩形波,當控制脈沖頻率較低時,每相繞組通電和斷電的時間較長, 繞組屮電流的上升和卜降均能達到穩定值，其波形接近J矩形波。在通電時間內電流的平均值較人, 電機產生的丫均轉矩也較人，如圖4-22 (a)所示。當脈沖頻率升高.怡于電路的時間常

37、數不變, 電流的波形與矩形波簽別較人,通電時間內電流的平均值卜降，電機產生的平均轉矩降低，如圖4-22(b) 所示.當脈沖的頻率進步升高，電流的T：均值進步下降，使平均轉矩大大減小,如圖422(c) 所示。圖420連續運行狀態圖4-21步進電動機的矩頻特性此外，隨著脈沖頻率上升.轉子轉速升寫，在控制繞組中將產生附加旋轉電動勢，并形成附加 電流，使電機受到電磁阻尼作用，致使電機的電磁轉矩進一步減小。當脈沖頻率上升到一定數值后, 電機便帶不動任何負線，輕則電機會失步車則停轉。0（C）圖4.22電流與頻率的關系（三）連續運行頻率步進電動機在一定負載轉矩卜，不失步連續運行的最高頻率稱為電機的連續運行頻

38、率 工值越 高電機轉速越高這是步進電動機的一個匝耍技術指標。連續運行頻率不僅隨負我轉爐的增加血卜， 降.而II更主要的是受控制繞組時間常數的影響。在負載轉炬一定時，為了提高連續運行頻率通常 采用的方法是：第一，在控制繞組中串入電阻，并相應提窩電源電斥。這樣可以減小電路的時間常 數，使控制繞組的電流迅速上升。第二.釆用高、低斥馳動電路，提高脈沖起始部分的電壓，改壽 電流波形的前沿.使控制繞組中的電流快速上升。此外，轉動慣戰対連續運行頻率也有一定的影響。 因為隨看轉動慣斎的増加靡擦力炬也相應増人，轉了就會跟不上呦場變化的速度，垠后內超出動穩 定區而失步或產生振蕩，從而限制連續運行的頻率。（四）啟動

39、頻率和啟動特性在 淀負載;轉矩下,電機不失步地正常啟動所能加的最高控制脈沖的頻率,稱為啟動頻率（也 稱窠跳頻率）。它的人小與電機本身的參數、負披轉矩、轉動慣晟及電源條件等因索有關，它是衡 量步進電動機快速性的重要技術指標。步進電動機在啟動時，轉子耍從靜止狀態開始加速，電機的電磁轉矩除了克服負載;轉矩Z外，還要克服軸上的慣性轉矩J-.所以啟動時電機的負擔比連續運轉時耍幣:。卅啟動時脈沖頻率過 dt高.轉子的運動速度跟不上定子磁場的變化，轉子就要落后穩定平衡位置一個角度。當落后的角度 使轉子的位置在動穩定區之外.步進電動機就要失步或振蕩，電動機就不能啟動。為此.対啟動頻 率就要白一定的限制。但電機

40、一I丄起動后，如果再逐漸升高脈沖頻率.由r這時轉子的角加速度 戲較小，慣性轉矩不人，因此電機仍能升速.顯然，連續運行頻率要比啟動頻率高"當電機帶著一定的負載轉矩啟動時，作用在電機轉子上的加速轉矩為電磁轉矩與負載轉矩Z 差。負載轉矩越人.加速轉矩就越小，電機就越不容易啟動，其啟動的脈沖頻率就應該越低。在轉 動慣龜丿為常數時川動頻率九'和負載轉tlZ間的關系，即九=/（£），稱為川動矩頻特性，如 圖4-23所示。另外，在負載轉矩一定時.轉動慣龜越大，轉子速度的増加越慢，啟動頻率也越低.啟動頻率 九和轉動慣鼠丿之間的關系.即九 f 稱為啟動慣頻特性.如圖24所示。耍提高啟

41、動頻率，可從以卜幾方面考慮：増加電機的相數、運行的拍數和轉子的齒數：増人最人靜轉矩；減小電機的負載和轉動慣雖 減小電路的時間常數；減小電機內部或外部的 阻尼轉矩等。圖4-24起動慣頻特件§4-5其他型式的步進電動機一、永磁式步進電動機圖4-25是永磁式步進電動機的結構原理圖“定子為凸極式，裝冇兩相(或多相)繞組轉子 為凸極式星形磁鋼，直極對數與定子每相繞組的極對數相同。圖中定子為兩相集中繞組(A、B), 每相為兩對極，所以轉子也是兩對極，即尸2。當定子繞組按A-B(-A)*-(-B)-A的次序輪流通電時，轉子將按順時針方向每次轉過45% 即步距角為45。o A永磁式步進電動機的步距角

42、e4 = 360°(4-J Np用電弧度表示則勺6W = =-(4-20)“ N m式中：P為轉子極對數'A為止脈沖，一A為負脈沖。6 =21圖4-25水磁式步進電動機的結構廉理圖上述這種通電方式為兩相單四拍，耍求控制電路既能輸出正脈沖，也能輸出負脈沖，電源較復 雜。卄每個定子磁極上繞兩套繞向相反的繞組，則電源只發正脈沖即可，簡化電源電路，但電機的 用銅顯和尺寸等均耍增加。此外，還有兩相雙四拍通電方式，即AB-B(-A)-(-A)(-B)-(-B)A-AB<>永磁式步進電動機的特點足，步距角人，啟動和運行頻率較低：但它所需的控制功率較小，效 率高，且在斷電情況下具

43、有定位轉矩.主要用丁新型自動化儀表。二、混合式步進電動機混介式步進電動機也稱為感應子式步進電動機，這是-種十分流行的步進電動機。它既冇反應 式步進電動機小步距角的特點，又冇永磁式步進電動機的高效率、繞組電感比較小的特點。常常也 作為低速同步電動機運行。(一) 兩相混介式步進電動機的結構圖4-26為兩相混介式步進電動機的軸向剖視圖"定子的結構與反應式步進電動機阜木相同，沿著 圓周冇卄干個凸出的磁極，極面上有小齒.極身上有控制繞組。控制繞組的接線如圖27所示。 轉子由環形礎鋼和兩段飲芯組成，環形碗鋼在轉子中部軸向充磁，兩段鐵芯分別裝在磁鋼的兩端。 轉子鐵芯上也仃小齒，兩段鐵芯上的小齒相互

44、錯開半個齒距。定轉子的齒距和齒寬相同.齒數的配 合與單段反應式步進電動機相同.I A定子軼尼N4-26磁路混介式步進電動機軸向剖視國圖4-28為轉子段橫截面圖。定子上均勻分布有8個磁極，每個磁極卜仃5個小齒。轉子上均 勻分布著50個齒。當磁極1卜是齒対齒時，磁極5卜也是齒對齒，氣隙磁阻圾小；磁極3和7下 是齒對槽,磁阻最大,如圖428 (a)所示。此時，磁極和5'正好是齒對槽,磁極3'和7'是齒 對齒，如圖4-28 (b)所示。(二) 兩相混介式步進電動機的工作原理混介式步進電動機作用在氣隙上的磁動勢仃兩個，-個是由永久磁鋼產生的磁動勢，另一個是 由控制繞組產生的磁動勢

45、。這兩個磁動勢仃時是相加的，仃時是相減的，視控制繞組中電流方向而 定。這種步進電動機的特點是混入了永久碗鋼的碗動勢.故稱為混介式步進電動機。1. 零電流時工作狀態各相控制繞組中沒仃電流通過，這時氣隙中的磁動勢僅由永久磁鋼的磁動勢決定。如杲電機的結構完全對稱各個定子俺極卜的氣隙磁動勢將完全相等，電動機無電磁轉矩因為永磴磁路是軸 向的.從轉子B端到定子的B端，軸向到定子的A端、轉子的A端、經幽鋼閉合。在這個磁路上， 總的磁導與轉子位置無關。這一方面由轉子不論處什么位置每一端的不同極F.幽導占的犬 仃的小，但總和不變；另一方面由于兩段轉子的齒錯開了半個齒距，所以即使在一個極的范闈內看, 當B端磁導增

46、人時.A端必然減小.也使總磁導在轉子位置不同時保持不變。I ArB*6 =#6 =#圖4-28磁極轉子段的檢截啲圖(a) S極轉f段戰血圖(b) N極轉了段截面圖2. 繞組通電時工作狀態半控制繞組冇電流通過時，便產生磁動勢。它與永久磁鋼產生的磁動勢相互作用，產生電磁轉 矩，使轉子產生步進運動。當A相繞組通電時，轉子的穩定平衡位置如圖4-29 (a)所示。若使轉 子偏離這一位置，如轉子向右偏離了一個角度，則定轉子齒的相對位置及作用轉矩的方向如圖4-29 (b)所示。可以看出，在不同端不同極的作用轉矩都是同方向的，都是使轉子回到穏定平衡位置 的方向。可見.兩相混介式步進電動機的穩定平衡位置足定轉子

47、斤極性的極而卜磁導最人.而同(b)圖429穩定平衡位代及偏離時的作用轉矩方向6 =#與A相相鄰的Btll磁極卜I定轉子齒的相對位置錯開1/加齒距所以當由A相通電改變為B 相通電時.轉子的穩定平衡位置將移動1/加齒距.即步距角為(4-21)360°2jnZr用電弧度衣則為(4-22)712m tn(三) 通電方式1. 單四拍通電方式每舶只仃一和繞組通電，四拍構成一個循環，兩相控制繞組按A-B-(-A) 一 (-B) -A的次序輪 流通電。每拍轉子轉動1/4轉子齒距,每轉的步數42“若轉子齒數為50,每轉為200步。2. 雙四拍通電方式每拍仃兩相繞組同時通電，兩相控制繞組按AB-B(-A

48、) - (-A) (-B) - (-B)A-AB的次序輪流通 電。若轉子齒數也為50,則每轉也是200步，和單四拍相同，但二者的空間定位不重介。3. 單、雙八拍通電方式前而兩種通電方式的循環舶數都等四，稱為滿步通電方式。若通電循壞拍數為八，稱為半步 通電方式，即按A-AB-B-B(-A) - (-A) - (-A) (-B) - (-B) - (B)A-A的次序輪流通電，每拍轉子 轉動1/8轉子齒距。若Z產50,則每轉為400步。4. 細分通電方式若調整兩相繞組中電流分配的比例和方向，使相應的介成轉矩在空間處J：任意位置上，則循環 拍數可為任意值，稱為細分通電方式。實質上就是把步距角減小，如前

49、而八拍通電方式已經將卩四 拍或雙四拍細分了一半.采用細分通電方式可使步進電動機的運行更平穩，定位分辨率更加提高， 負載;能力也有所增加，并且步進電動機可作低速同步運行。除了兩相混介式步進電動機之外，還冇們格五相混合式步進電動機。它們的結構原理甚本和同. 不同的只是相數增多，使定子磁極數由8個增加為10個，每個極而下的小齒由5個減少為4個.步進電動機除了以上敘述的幾種常用空式外，還冇很多熨式，如單和式、滾切式、交流感應等。 這里就不一一介紹了"§4-6驅動電源步進電動機需耍由專門的味動電源供電，驅動電源和步進電動機是一個右機的幣休，步進電動 機的運行性能是電動機及其騾動電源二

50、者配合所反映的綜合效果。騾動電源的形式很多，分類方法也很多。按配套的步進電動機容最人小，可分為功率步進電動 機騾動電源和伺服電動機驅動電源兩人類：按輸出脈沖的極性町分為單向脈沖電源和止、負雙極性 脈沖電源兩種：按功率放人器的型式分為單一電斥型、高低壓切換型、電流控制島低壓切換型、細 分電路電源和定電流斬波升頻升壓等。無論那一種電源，它應滿足以卜卑本耍求：馳動電源的相數、通電方式和電H、電流都耍與所亦動的步進電動機和匹配；耍滿足步進 電動機起動頻率和連續運行頻率的要求：能瑕人限度地抑制步進電動機的振蕩：(4) 匸作可靠，抗擾能力強，(5) 成本低、效率高，安裝維護方便。一、驅動電源的組成步進電動

51、機的驅動電源宙變頻信號源、脈沖分配器和脈沖放人器三部分紐成，如圖4-30所力乙 變頻信號源是一個脈沖信號發生器，脈沖的頻率可以山幾赫茲到兒I赫茲連續變化。實現這 一功能的電子線路很多，垠常見的仃多諧振蕩器和單結晶體管構成的張她振蕩器兩種。6 =23脈沖分配器(也稱環形分配器)是一個數字邏輯單元.它接收一個單相的脈沖信號，根據運行 指令把脈沖信號按一定的邏輯關系加到脈沖放人器匕.使步進電動機按選定的運行方式匸作。它町 以由雙穩態觸發器和門電路組成,也可用可編程邏輯器件組成.目前已有專用的集成電路,如三、 四相步進電動機脈沖分配器PMM8713就是其中一種為說明脈沖分配器的匸作原理，圖4-31給出

52、 了一種三相單三拍脈沖分配器的電路圖及脈沖波形圖，該脈沖分配器由二個JK觸發器和三個與門 組成，JK觸發器的真值表如表4-1所示。開始工作時，加上預置脈沖信號使觸發器置“0”，即 Q嚴Q? = 0 .于是有A=QxQ2 = 11=1,表示A相輸入一控制脈沖，而B二Q© = 0 1 = 0, C=Q3 =0 即B、Cffl無控制信號。當在CP端輸入第一個步進脈沖信號，第一個JK觸發器Ji=Q2=1, Ki=1, Qi(t)=0。由表4-1知，此時為“求補”，所以，QKt+l)=l：第二個JK觸發器J?=Q=0, K2=Q=1, Q2(t)=0,由表4-1知此時為置“0”，所以Q2(t+

53、l>0與門給出A=Q1(t+l) Q2 (t+l)=0, B=Qi(t+l) Q2(t+l)=l, C=Q3(t+l)=0,只仃B相仃控制脈沖。余類推，讀者可fl行分析。B表4-1JK觸發器貞值表JKQd說明101比“1”010世“0”00Q(t；不變11Q(0求補(b)圖4-31二相單上拍脈沖分配器脈沖放人器是要進行脈沖功率的放人"因為從脈沖分配器能夠輸出的電流很小（亳安級）.而 步進電動機作時需要的電流較人（一般兒安到兒十安）。因此，需耍進行功率放人。功率放人電 路的種類很多.它們對電機性能的影響也各不相同脈沖放大器是毎相繞組一套。二、步進電動機的典型驅動方式（一）單極性騾

54、動1.單電斥驅動方式圖4-32所一相控制繞組驅動電路的原理圖。當有控制脈沖信號輸入時.功率管V導通， 控制繞組中有電流流過；否則.功率管V關斷，控制繞組中沒有電流流過。為了減小控制繞組電路的時間常數，提為步進電動機的動態轉矩，改善運行性能，在控制繞組 中串聯電阻，同時也起限流作用。電阻兩端并聯電容C的作用是改善注入步進電機控制繞組中 電流脈沖的前沿.在功率管V導通的瞬間，由-電容上的電斥不能躍變，電容C相當J：將電阻R短 接，使控制繞組屮的電流迅速上升，這樣就使得電流波形的前沿明顯變陡。但是，如果電容C選擇 不當.在低頻段會使振蕩自所増加，引起低頻性能變差。由J功率管V由導通突然變為關斷狀態時

55、，任控制繞組屮會產生很高的電動勢，其極性與電源 的極性一致，二者疊加在一起作用到功率管V的集電極上，很容易使功率管擊穿。為此，并聯一個 二極管D及其串聯電阻冷，形成放電回路，限制功率管y集電極上的電斥，保護功率管V。單電壓驅動方式的最人特點是線路簡單、功率元件少、成本低。但它的缺點是由電阻y要 消耗能屋，使得工作效率低。所以這種驅動方式只適用小功率步進電動機的馳動。圖4-32單電壓驅動電路脈理圖2.高低電壓張動方式（雙電斥騾動方式）高低壓驅動電路原理如圖4-33所示。當輸入控制脈沖信號時，功率管VV?導通，低壓電源 由二極管®承受反向電斥處J：截上狀態不起作用，高斥電源加在控制繞組卜

56、.控制繞組中的電 流迅速上升，使電流波形的前沿很陡。為電流上升到額定值或稍比額定值高時，利用定時電路或電 流檢測電路，使功率管V】關斷，V?仍然導通.二極管D：也由截止變為導通，控制繞組由低壓電源 供電.緋持苴額定穩態電流。當輸入信號為零時.功率止.控制繞俎中的電流通過二極管 5的續流作用向高壓電源放電，繞組屮的電流迅速減小。電阻的阻值很小，口的是為了調廿控 制繞組屮的電流，使各和電流平衡。這種驅動方式的特點是電源功耗比較小，效率比較高。L1JJ：電流的波形得到了很人的改善.所以電機的矩頻特性好.啟動和運行頻率得到了很人的提高.它的主 耍缺點是在低頻運行時輸入能炭過人，造成電機低頻振蕩加暇；同

57、時也增人了電源的容最.由j:電 源電斥的提高也提高了対功率管性能參數的耍求。這種驅動方式常用j:人功率步進電動機的驅動。3. 定電流斬波驅動方式步進電動機在運行過程中.經常會出現控制繞組中電流波頂卜凹的現彖.如圖4-34所小;。這 主耍是由電機在轉動時，磁導的變化在繞組中產牛感應電動勢以及相間的互感等原因而造成的. 這一現彖會引起電機轉矩卜降，動態性能變差，共至使電機失步。為了消除這一現象，通常采用定 電流斬波弘動方式。它是在高低床騾動電路的基礎1：根據控制繞組中電流的變化情況.反復地接 通和斷開高斥電源，使繞組中的電流始終維持在要求的范用內，如圖4-35所示。圖434電流波頂卜-凹現彖圖1-35定電流斬波嗽動控制繞紐的電流波形25#圖36是定電流斬波驅動電路原理圖。當仃控制脈沖信號輸入時，功率管V】、V?導通，控制 繞組屮的電流在