步进电动机的工作原理及特点

新疆农业高校机械交通学院机电一体化系统设计课程（设计）论文题目步进电动机的工作原理及特点指导老师郭俊先班级与专业机制092所在学院机械交通学院课程评分二零一二年月度等2）齿距角相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角3）失调角失调角是指转子偏离零位的角度4）精度步进电机的精度有两种表示方法，一种用步距误差最大值来表示，另一种用步距累计误差最大值来表示最大步距误差是指电动机旋转一周内相邻两步之间的最大步距角和抱负步距角的差值，用抱负步距的百分数表示最大累计误差是指任意位置开头经过任意步之间，角位移误差的最大值5）转矩步进电机转矩是一个重要的指标它又包括定位转矩、静转矩、动转矩定位转矩是指在绕组不通电时电磁转矩的最大值通常反应式步进电机的定位转矩为零，混合式步进电机有肯定的定位转矩静转矩是指不转变绕组通电状态，即转子不转时的电磁转矩它是绕组电流及失调角的函数对应某一失调角时静转矩最大，称为最大静转矩动转矩是指转子转动状况下的最大输出转矩值，它与运行频率有关在肯定频率下，最大静转矩越大，动转矩也越大6）响应频率在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大频率称为响应频率通常用启动频率来作为衡量的指标，它是指在肯定负载下直接启动而不失步的极限频率，称为极限启动频率7）运行频率指拖动肯定负载使频率连续提升时，步进电机能不失步运行的极限频率参考文献:［1］白恩远王俊元孙爰国.现代数控机床伺服及检测技术［M］.北京:国防工业出版社

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109.步进电动机【摘要】步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移（或线性位移）的电磁装置，是一种特殊的电动机步进电动机由于精确性以及其良好的性能，其组成的开环系统既简洁、廉价，又特别可行，因此在打印机等办公自动化设施以及各种掌握装置等众多领域有着极其广泛的应用本文内容介绍了步进电动机的工作原理及其主要特点，特性，同时对其相关部件以及主要技术指标都有肯定介绍，以便于更好的了解步进电动机关键词工作原理；特点；技术指标■■■I刖百随着微电子和计算机技术的进展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用讨论步进电机的掌握系统，对提高掌握精度和响应速度、节省能源等都具有重要意义1步进电机概述步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulsemotor或Stepperservo其应用进展已有约80年的历史步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的掌握电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度掌握当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度因此，掌握电机转子旋转实际上就是以肯定的规律掌握定子绕组的电流来产生旋转的磁场每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步依据电压脉冲的安排方式，步进电机各相绕组的电流轮番切换，在供应连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的状况下运行，其步距误差不会长期积累在非超载的状况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率范围内通过转变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转掌握等，这是步进电动机最突出的优点卬正常状况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入肯定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特殊适合于微机掌握2国内外的讨论概况步进电机是国外创造的中国在文化大革命中已经生产和应用，例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产，而且都在各行业使用，驱动电路全部半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的规律运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形安排器国外在大功率的工业设施驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，由于从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，肯定速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，沟通电机国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机国外用很多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带协作直流电动机，实现闭环直线位移掌握国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采纳沟通电动机驱动数控机床，在驱动设施的主要差距，是国外对沟通电动机的掌握理论与工程分析和应用力量强，先进的掌握理论作为软件写在掌握器内部总的来说，步进电机是一种简易的开环掌握，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机，在高品质的掌握场合，有时还不能使用步进电机步进电机的细分掌握，在改革开放初期，国内就已经基本把握，这与沟通电动机的矢量掌握相比，难度要低得多3步进电机的分类步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型按结构特点电磁式步进电机可分为反应式VR、永磁式PM和混合式HB三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机Q1反应式步进电机VariableReluctance，简称VR反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组它的结构简洁，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差反应式步进电机有单段式和多段式两种类型；2永磁式步进电机PermanentMagnet简称PM永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小相比反应式，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电；3混合式步进电机Hybrid简称HB混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以供应软磁材料的工作点，而定子激磁只需供应变化的磁场而不必供应磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小这种电动机最初是作为一种低速驱动用的沟通同步机设计的，后来发觉假如各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动由于能够开环运行以及掌握系统比较简洁，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用由于本设计的设计目的更注意整个系统的有机结合，所以只采纳反应式步进电机口这种步进电机的应用最为广泛4步进电机工作原理步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率⑴成正比，在非超载的状况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角如下所示的步进电机为一四相步进电机，采纳单极性直流电源供电只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动图

4.1是该四相反应式步进电机工作原理示意图

4.1四相步进电机步进示意图开头时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开B相磁极和转子

0、3号齿对齐，同时，转子的

1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，

2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和

1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，L4号齿和C相绕组的磁极对齐而

0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，

2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿依次类推，A、B、C、D四相绕组轮番供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图

4.2所示:脉冲jmnjLrLnnrLruinna相nnnb相_n__n_n_cwnnnd相innna单四拍图

4.2步进电机工作时序波形图5步进电动机有如下特点1）步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性2）由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既简洁、廉价，又特别牢靠，同时它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统3）步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速4）速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转距，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用沟通电源和直流电源6）步进电机存在振荡和失步现象，必需对掌握系统和机械负载实行相应措施7）一般步进电机的精度为步进角的3-5%且不累积8）步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常9）当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降10）步进电机有一个技术参数空载启动频率，即步进电机在空载状况下能够正常启动的脉冲频率，假如脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转在有负载的状况下，启动频率应更低假如要使电机达到高速转动，脉冲频率应当有加速过程，即启动频率较低，然后按肯定加速度升到所盼望的高频（电机转速从低速升到高速X步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途伴随着不同的数字化技术的进展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用6步进电机的特性步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅特长理的数据类型从20世纪80年月开头开发出了专用的IC驱动电路，今日，在打印机、磁盘器等的OA装置的位置掌握中，步进电机都是不行缺少的组成部分之一总体上说，步进电机有如下优点1不需要反馈，掌握简洁2与微机的连接、速度掌握启动、停止和反转及驱动电路的设计比较简洁3没有角累积误差4停止时也可保持转距⑸没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低6即使没有传感器，也能精确定位7根据给定的脉冲周期，能够以任意速度转动但是，这种电机也有自身的缺点8难以获得较大的转矩9不宜用作高速转动10在体积重量方面没有优势，能源采用率低11超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声7步进电机的驱动介绍步进电机不能直接接到交直流电源上工作而必需使用专用设施——步进电棚区动器.步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣典型的步进电棚区动系统是由步进电机掌握器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成步进电机掌握器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电棚区动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步步进电机转速的凹凸、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的凹凸掌握器的方向信号打算步进电机的顺时针或逆时针旋转通常，步进电机驱动器由规律掌握电路、功率驱动电路、爱护电路和电源组成步进电机驱动器一旦接收到来自掌握器的方向信号和步进脉冲，掌握电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号掌握电路输出的信号功率很低，不能供应步进电机所需的输出功率，必需进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分功率驱动电路向步进电机掌握绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动爱护电路在消失短路、过载、过热等故障时快速停止驱动器和电机的运行8主要技术指标步进电机主要的技术指标有1步距角指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值目前国产商品化步进电机常用步距角为

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