3.步进电机及其工作原理

步进电机及其工作原理陈学文河南科技大学材料科学与工程学院2010年09月步进电机外形结构常见步进电机外形构造步进电机内部结构步进电机内部结构步进电机的内部构造步进电机分类按照力矩产生原理分类——激磁式反应式混合式按照定子数目分类——单定子双定子多定子按照定子励磁相数分类——三相四相五相六相按照各相绕组的分布规律分类——径向分相(垂轴式)轴向分相(顺轴式)三段式（三定子）轴向分相步进电机1－线圈2－定子3－转子单段反应式步进电机单段反应式步进电机的工作原理——内部结构AABBCC反应式步进电机的内部结构横剖面示意图ABCABCNSA相定子绕组通电形成磁场单段反应式步进电机的工作原理——磁场形成步进电机节拍运动动画单段反应式步进电机的工作原理——节拍运动动画AA12AA1243步距角：步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过的角度称步距角。单相轮流通电（M相单M拍）顺时针轮回A→B→C→A逆时针轮回A→C→B→A双相轮流通电（M相双M拍）顺时针轮回AB→BC→CA→AB逆时针轮回BA→AC→CB→BA单双相轮流通电（M相2M拍）顺时针轮回A→AB→B→BC→C→CA→A逆时针轮回A→AC→C→CB→B→BA→A单段反应式步进电机的工作原理——定子的通电方式单段反应式步进电机的工作原理——两转子齿AA12ABB12AAC1260°BCC12单段反应式步进电机的工作原理——两转子齿定子通电顺序：A→B→C→A转子旋转方向：顺时针步距角：b=60θ°ACC12AA12BBC1260°AAB1260°单段反应式步进电机的工作原理——两转子齿定子通电顺序:A→C→B→A转子旋转方向：逆时针步距角：b=60θ°AABB12ABBCC1260°AABBC1260°AABCC1260°单段反应式步进电机的工作原理——两转子齿定子通电顺序：AB→BC→CA→AB转子旋转方向：顺时针步距角：b=60θ°单段反应式步进电机的工作原理——两转子齿定子通电顺序：BA→AC→CB→BA转子旋转方向：逆时针步距角：AABCC1260°AABB12ABBCC1260°AABBC1260°b=60θ°AA12AABB1230°ABB1230°AABCC1230°BCC1230°ABBCC12单段反应式步进电机的工作原理——两转子齿定子通电顺序：A→AB→B→BC→C→CA→A转子旋转方向：顺时针步距角：b=30θ°ACC1230°AABCC12AA12ABBCC12BBC1230°AABBC1230°单段反应式步进电机的工作原理——两转子齿定子通电顺序：A→AC→C→CB→B→BA→A转子旋转方向：逆时针步距角：b=30θ°单段反应式步进电机的工作原理——四转子齿定子通电顺序：A→B→C→A转子旋转方向：逆时针步距角：AA1243ABB4231AAC423130°BCC423130°b=30θ°单段反应式步进电机的工作原理——四转子齿定子通电顺序:A→C→B→A转子旋转方向：顺时针步距角：ACC132430°AA1243BBC132430°AAB1324b=30θ°单段反应式步进电机的工作原理——四转子齿定子通电顺序：AB→BC→CA→AB转子旋转方向：逆时针步距角：AABB1324ABBCC1324AABBC132430°AABCC1324b=30θ°单段反应式步进电机的工作原理——四转子齿定子通电顺序：BA→AC→CB→BA转子旋转方向：顺时针步距角：AABCC132430°AABB1324ABBCC1324AABBC1324b=30θ°单段反应式步进电机的工作原理——四转子齿定子通电顺序：A→AB→B→BC→C→CA→A转子旋转方向：逆时针步距角：AA4231AABB1324ABB423115°AABCC132415°BCC423115°ABBCC132415°b=15θ°单段反应式步进电机的工作原理——四转子齿定子通电顺序：A→AC→C→CB→B→BA→A转子旋转方向：顺时针步距角：ACC132415°AABCC132415°AA1243ABBCC1324BB1324C15°AABBC132415°b=15θ°步距角：步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过的角度称步距角。♠转子齿数越多，步距角越小♠定子相数越多，步距角越小♠通电方式的节拍越多，步距角越小bθbθbθb360θ=m*Z*C°式中：m－定子相数Z－转子齿数C－通电方式C=1单相轮流通电、双相轮流通电方式C=2单、双相轮流通电方式AA12AA1243常用步进电机的步距角常用步进电机的定子绕组多数是三相和五相,与此相匹配的转子齿数分别为40齿和48齿，即有三相步进电机：五相步进电机：b360360θ=3(1.5)m*Z*C3*40*1(2)°°°°b360360θ=1.5(0.75)m*Z*C5*48*1(2)°°°°AA12AA1243转子转动的原因分析转子转动的原因分析AABBCCABBCC步进电机的实际结构步进电机的实际结构AABBCC47°50°A相各齿对齐时,B相转子齿错位3°步进电机展开结构实际步进电机转动的模拟♠控制输入给步进电机的脉冲数目可以控制步进电机的角位移bΦ=Nθ结论♠控制输入给步进电机的脉冲的频率可以控制步进电机的转速♠控制步进电机定子绕组的通电顺序可以控制步进电机的转动方向b36060f60fθ60fmZCn==360360mZC°°°步进电机的驱动控制步进电机的驱动控制功率放大器环形分配器加减速电路脉冲混合电路加减脉冲分配电路进给脉冲至步进电机绕阻1.脉冲混合电路将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合为正向或负向脉冲进给信号2.加减脉冲分配电路将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲3.加减速电路将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性的脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。4.环形分配器将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制步进电机定子绕阻通、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。5.功率放大器将环形分配器输出的mA级电流进行功率放大，一般由前置放大器和功率放大器组成。步进电机的驱动控制将插补器的单序列脉冲转换为步进电机需要的多序列脉冲的装置叫环行分配器。环行分配器可以由硬件构成也可以由软件构成。环行分配器环行分配器的工作原理硬件环行分配器的基本构成是触发器。因为步进电机有几相就需要几个序列脉冲，所以步进电机有几相，就要设置几个触发器。每个触发器发出的脉冲就是一个序列脉冲，用来控制步进电机某相定子绕组的通、断电。触发器工作的同步信号就是来自插补器的某个坐标轴的位移驱动信号Δx或Δy。CPQADAQASRCPQBRSDBQBCPQCRSDCQC复位△X△A△B△C26811111111111145379△C△B△A△三相单三拍工作方式：A→B→C→A当QA有输出ΔA，就使步进电机的A相通电，当QB有输出ΔB，就使步进电机的B相通电，当QC有输出ΔC，就使步进电机的C相通电。输出波形如下环行分配器的工作原理如果用D触发器,则触发器的输入端就是D端，它的信号也取自触发器本身，不过这中间还要加一定的外接无源电路。触发器的输出和输入通过一定的外电路连接在一起，构成一个封闭的整体环形电路，只要有Δx这个单序列脉冲它就能连续不断地输出ΔA、ΔB、ΔC，这就是我们把它称为环行分配器的道理。即环行就是触发器的输入由其输出连接，分配就是根据步进电机定子绕组的通电顺序要求对Δx的序列脉冲进行再分配。所以也常直接称其为脉冲分配器。环行分配器的工作原理