第四章 步进电动机 第一节四章 步进电动机 第一节第四章 步进电动机 第一节第四章 步进电动机 第一节.ppt

第四章 步进电机 引例1 步进电动机（Stepping Motor，或 Step Motor 、Stepper Motor）是一种可由电脉冲控制运动的特殊电动机，可以通过脉冲信号转换控制的方法将脉冲电信号变换成相应的角位移或线位移。因此步进电动机也被称为脉冲电动机（Pulse Motor）。 步进电动机不能直接使用通常的直流或交流电源来驱动，而是需要使用专门的步进电动机驱动器。 在工业生产中被应用于数控机床、打印机、绘图仪、机器人控制等。 引例2 通过一定的控制方式，可以使步进电动机运动时的角位移或线位移与脉冲数成正比，即其转速或线速度与输入控制脉冲的频率成正比。 在步进电动机所能承受的负载能力范围内，这种关系不会因电源电压、负载大小以及环境条件的波动而变化，因而在系统中可以采用开环的方式进行运动控制，从而使控制系统大为简化。 通常步进电动机可以在较宽的范围内通过改变输入控制脉冲的频率来实现调速，并能够做到快速起动、反转和制动。 由于它能直接利用脉冲数字信号进行控制并将其转换成角位移，因而很适合于采用计算机来进行数字式控制的场合。 一些使用步进电动机的机器、设备。 4.1 步进电动机简介 传统的交直流电动机主要功能是将电能转换成机械能，机电能量转换的效率是衡量它性能优劣的主要指标。随着社会生产及科学技术的发展，在生产、生活中除了要求电动机完成机电能量转换的功能，还提出了运动控制方面的要求，如实现角速度和角位移的控制。 对于控制应用来说，主要控制指标包括:稳速精度、调速范围、动态响应、跟随精度及定位精度等。 在现代高性能运动控制应用中，步进电动机、无刷直流电动机和交流伺服电动机成为主要角色。 其中步进电动机最早成为适应计算机控制的运动控制电动机，在上世纪60年代有较大的进展，二相混合式步进电动机的专利也是那时提出的，70和80年代步进电动机迅速发展，在计算机外设和办公自动化设备中广泛应用，并迅速推广到很多工业装置，包括数控车床。 4.1 步进电动机简介 使电机产生转动的作用力可以表现为两种形式：一种是由电磁作用原理产生的，作用力是定/转子两个磁场相互作用的结果，其作用力的来源类似于两个磁铁的同极性相排斥异极性相吸引而产生作用力的现象，目前大部分电机也都是遵循这一原理，例如一般的直流电机和交流电机。 交流电机转动时，定子绕组通电产生旋转磁场，而转子由于形成切割磁力线的等效作用在其内部产生感应电流，与定子绕组产生的旋转磁场相互作用形成运动所需的电磁力，从而产生转子的转动。为了产生运动所需的一定强度的感应电流，交流电动机在原理上就会要求旋转磁场在转速上有一定限制。 步进电动机运动时的电磁力 所有电动机运动所需的力都源于电磁力。与交流电动机运动不同的是，步进电动机运动时的所需的电磁力是由定子绕组因通电产生的磁场，对由磁性材料按照一定形状做成的转子磁极的吸引力形成的。 步进电动机的转动类似于同步电机在同步转动时的状态，即由定子线圈通过电流产生的磁场吸引转子形成转动所需的作用力，磁场的旋转带动转子的运动。在这一过程中并不需要在转子内部产生感应电流及其产生的相应的磁场，可以以走一步停一下的即步进的方式运行。 4.1 步进电动机简介 另一种是由磁阻原理产生的。 作用力则是由定/转子间气隙磁阻的变化产生的，当定子绕组通电时，产生一个单相磁场作用于转子，由于磁场在转子与定子之间的分布要遵循磁阻最小原则（或磁导最大原则），即磁通总要沿着磁阻最小（磁导最大）的路径闭合，因此，当转子产生的磁场的磁极轴线与定子磁极的轴线不重合时，便会有磁阻力作用在转子上并产生转矩使其趋于磁阻最小的位置，即两轴线重合位置，这类似于磁铁吸引铁质物质的现象。 4.1 步进电动机简介 以上两种产生力矩的方式都被用于步进电动机，如步进电动机有激磁式、反应式及混合式等。其中激磁式是由电磁作用产生力矩的，而反应式是由磁阻原理产生力矩的。而混合式则同时利用了两种形式的作用。 由于步进电动机运动所需的电磁力并不是由于感应电流产生的，通过结构上的设计，并按一定的规则控制定子绕组的电流，可以使转子以一步步的方式来转动，并且可以停在某一位置，实现转动或位置控制。因此可以方便地用来实现将脉冲信号转换成角位移或线位移。通过结构上的设计，可以实现每输入一个电脉冲信号，步进电动机就走一步。 步进电动机走一步的角度大小称为步距角，这种步进式运动不同于普通匀速旋转的电机，所以称为步进电动机。由于其工作电源是脉冲电压，因此步进电动机也称为脉冲电机。这也是步进电动机名称的由来。步进电动机由专用控制电源供给电脉冲信号，电脉冲信号也称为走步脉冲信号。 步进电动机的运动是受走步脉冲信号控制