8.5 步进电动机

1. 8.5 步进电动机 步进电动机是将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的控制电机，在自动控制系统中作执行元件。给步进电动机输入一个电脉冲信号时，它就转过一定的角度或移动一定的距离。由于其输出的角位移或直线位移可以不是连续的，因此称为步进电动机。步进电动机的精度高、惯性小，不会因电压波动、负载变化、温度变化等原因而改变输出量与输入量之间的固定关系，其控制性能很好。步进电动机广泛用于数控机床、计算机外围设备等控制系统中。 步进电动机的种类很多，主要有反应式、励磁式等。反应式步进电动机的转子上没有绕组，依靠变化的磁阻生成磁阻转矩工作。励磁式步进电动机的转子上有磁极，依靠电磁转矩工作。反应式步进电动机的应用最为广泛，它有两相、三相、多相之分，也有单段、多段之分。我们主要讨论单段式三相反应式步进电动机的结构和工作原理。

2. 8.5.1 结构 单段三相反应式步进电动机的结构分成定子和转子两大部分，如图8.17模型所示。定、转子铁心由软磁材料或硅钢片叠成凸极结构，定、转子磁极上均有小齿，定、转子的齿数相等。定子磁极上套有星形连接的三相控制绕组，每两个相对的磁极为一相，转子上没有绕组。 图8.17 三相反应式步进电动机模型示意图

3. 8.5.2 基本工作原理 单段三相反应式步进电动机的工作原理可以由图8.18来说明。由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，这就是反应式步进电动机旋转的原理。 现以 的通电顺序，使三相绕组轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。 当A相绕组通电时，气隙中生成以A-A为轴线的磁场。在磁阻转矩的作用下，转子转到使1、3两转子齿与磁极A-A对齐的位置上。如果A相绕组不断电，1、3两转子齿就一直被磁极A-A吸引住而不改变其位置，即转子具有自锁能力。 （a）A相通电 （b）B相通电 （c）C相通电 图8.18 反应式步进电动机的工作原理图

4. A相绕组断电、B绕组通电时，气隙中生成以B-B为轴线的磁场。在磁阻转矩的作用下，转子又会转动，使距离磁极B-B最近的2、4两转子齿转到与磁极B-B对齐的位置上。转子转过的角度为 （8-15） 式中 ——步距角，即控制绕组改变一次通电状态后转子转过的角度 N——拍数，即通电状态循环一周需要改变的次数 Zr——转子齿数 同理，B相绕组断电，C相绕组通电时，会使3、1两转子齿与磁极C-C对齐，转子又转过30°。 可见，以 的通电顺序使三个控制绕组不断地轮流通电时，步进电动机的转子就会沿ABC的方向一步一步地转动。改变控制绕组的通电顺序，如改为 的通电顺序，则转子转向相反。 （a）A相通电 （b）B相通电 （c）C相通电 图8.18 反应式步进电动机的工作原理图

5. 以上通电方式中，通电状态循环一周需要改变三次，每次只有单独一相控制绕组通电，称之为三相单三拍运行方式。由于单独一相控制绕组通电时容易使转子在平衡位置附近来回摆动——振荡，会使运行不稳定，因此实际上很少采用三相单三拍的运行方式。以上通电方式中，通电状态循环一周需要改变三次，每次只有单独一相控制绕组通电，称之为三相单三拍运行方式。由于单独一相控制绕组通电时容易使转子在平衡位置附近来回摆动——振荡，会使运行不稳定，因此实际上很少采用三相单三拍的运行方式。 除此之外，还有三相双三拍运行方式和三相六拍运行方式。三相双三拍运行方式的每个通电状态都有两相控制绕组同时通电，通电状态切换时总有一相绕组不断电，不会产生振荡。图8.19是通电顺序为 的三相双三拍运行方式示意图。A、B两相通电时，两磁场的合成磁场轴线与未通电的C-C相绕组轴线重合，转子在磁阻转矩的作用下，转动到使转子齿2、3之间的槽轴线与C-C相绕组轴线重合的位置上。当B、C两相通电时，转子转到使转子齿3、4之间的槽轴线与A-A相绕组轴线重合的位置，转子转过的角度为30°。同理，C、A两相通电时，转子又转过30°。可见，双三拍运行方式和单三拍运行方式的原理相同，步距角也相同。 （a）A、B相通电 （b）B、C相通电 （c）C、A相通电 图8.19 反应步进电动机双三拍运行的工作原理图

6. 三相六拍运行方式的通电顺 序 为，其原理与单三拍、双三拍运行方式的原理相同。只是其通电状态循环一周需要改变的次数增加了一倍（ ），其步距角因此减为原来的一半（ ）。 步距角一定时，通电状态的切换频率越高，即脉冲频率越高时，步进电动机的转速越高。脉冲频率一定时，步距角越大、即转子旋转一周所需的脉冲数越少时，步进电动机的转速越高。步进电动机的转速为 （8-16） 式中 NZr——转子旋转一周所需的脉冲数 f——脉冲频率 图8.18、图8.19只是步进电动机的模型图，其步距角太大。实际步进电动机的定、转子齿数较多，最小步距角可小至0.5°。