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(脉冲电动机)。
优点：角位移或线位移与脉冲数成正比，其转速n或线速度v与脉冲频率成正
目前应用最多的是反应式步进电动机（磁阻式）。
比。在负载能力范围内，这种关系不会因电压波动、负载变化、温度变化等原因 而变化，其控制性能很好。步进电动机广泛用于数控机床、打印机等控制系统中。
激光打印机
数控加工中心
自动控制系统对伺服电动机的基本要求
• （1）无“自转”现象：即要求控制电机在有控制 信号时迅速转动, 而当控制信号消失时必须立即停止 转动。控制信号消失后, 电机仍然转动的现象称为自 转,自动控制系统不允许有“自转” • （2）空载始动电压低: 电机空载时, 转子从静止 到连续转动的最小控制电压称为始动电压。始动电压 越小, 电机的灵敏度越高。 • （3）机械特性和调节特性的线性度好: 线性的 机械特性和调节特性有利于提高系统的控制精度, 能 在宽广的范围内平滑稳定地调速 • （4）快速响应性好: 即要求电机的机电时间常 数要小, 堵转转矩要大,转动惯量要小, 转速能随控制 电压的变化而迅速变化。
（3）幅相控制：同时改变控制电压UC的大小和相位。
任务3 步进电机(step motor)的选择与使用 能力要求： 1、能分析步进电机的工作原理与控制过程 2、能根据使用场合选择合适的步进电机 知识要求： 1、了解步进电机的结构 2、熟悉步进电机的工作原理
步进电机— 脉冲电机
电脉冲信号→角位移或直线位移
步进电动机的步距角公式为:
• •
360 360 s m Zr C NZ r
C ——状态系数, 采用单三拍或双 三拍方时 , C=1, 采用单、双六拍方式时, C=2。
由此可知, 增加拍数和转子的齿数可减小步距角,有利于提高控制精度。增加电机的相数可增加拍数,
从而减小步距角。但相数越多, 电源及电机的结构越复杂, 目前步进电动机一般做到六相。所以增加转子
齿数是减小步距角的一个有效途径。
步进电机驱动电源
步进电动机是由专用的驱动电源来供电的，驱动电源和步进
电动机是一个有机的整体。 步进电动机的驱动电源，基本上包括变频信号源，脉冲分配 器和脉冲放大器三个部分，如图所示。 步 进 电 电动 源机 的 驱 动
由于每一极距所占的齿数不是整数， 当U-U′极下的定、转子
齿对齐时，V-V′极的定
子齿和转子齿必然错开 1/3齿距，即为3°，如图 所示的展开图。 由上图可以看出，若断开U相控制绕组而接通V相控制绕组，这 时步进电动机中产生沿V-V′极轴线方向的磁场，因磁通力图 走磁阻最小路径闭合，就使转子受到同步转矩的作用而转动， 转子按逆时针方向转动1/3齿距（3°），直到使V-V′极下的 定子齿和转子齿对齐。相应地U-U′极和W-W′极下的定子齿又 分别和转子齿相错1/3齿距。按此顺序连续不断地通电，转子 便连续不断地一步一步转动。
转子转过的角度
360 360 S 30 ZR N 4 3
ZR——转子齿数 N ——步进电机的拍数？N=MC
3、单-双六拍工作方式
360 步距角 s CZ R M
ZR-转子齿数 N -步进电机的拍数 C -??
A相首先通电，转子齿1、3稳定于AA′磁极轴线，图(a)； 在A相继续通电的情况下，接通B相。 这时定子BB′磁极对转子齿2、4产生拉 力，使转子顺时针转动，但此时AA′极继续拉住齿1、3, 转子转到两个磁拉力 平衡为止，转子位置如图(b)；转子从A位置顺时针转过15°。 A相断电，B相继续通电，这时转子齿2、4又和 BB′磁极对齐而平衡，转子又 转过15°角，如图(c)所示。 在B相通电情况下，C相又通电，则BB′和CC′共同作用使转子又转过15°，如 图 (d)。依此规律，按 A—AB—B—BC—C—CA—A的顺序通电，转子便顺时 针一步步转动。电流换接六次，磁场旋转一周，步距角 θS=15°。如按 A— AC—C—CB—B—BA—A的顺序通电，则电机逆时针方向转动。
转子电阻增大后的转矩特性效果
3、交流伺服电动机控制方式
（1）幅值控制：仅改变控制电压Uc振 幅的大小，相位角保持不变。=UC/UF 从0-1变化时,气隙磁场从脉动磁 场—椭圆形旋转磁场—圆形旋转磁场。 电机转速越来越高。 （2）相位控制：通过移相器改变控制电 压UC的相位，幅值不变。 UC=UF，相位差=0时,气隙磁场为脉 动磁场；=90o时,气隙磁场为圆形磁场。
步进电动机的转速n
360 s ZR N
2 S ZR N
f——脉冲频率
s f 2 60 f 60 f n 60 2 Z R N 2 ZR N
步进电动机的模型图， 其步距角太大。实际应 用中，为了保证加工精 度，一般步进电动机的 定、转子齿数较多（如 40 个 ） 。 最 小 步 距 角 可 小至0.5°。
2、双三拍控制
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。图通电顺序为ABBCCAAB。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。 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。
式小 步步 进距 电角 动的 机三 相 反 应 以转子齿数zr=40，相数m=3，一相绕组通电时，在气隙圆周 上形成的磁极数2p=2，三相单三拍运行为例： 在右图中，三相反应式步进 电动机定子上有六个极，上面 装有控制绕组联成U、V、W三 相。转子圆周上均匀分布若干 个小齿，定子每个磁极靴上也 有若干个小齿。 每一齿距的空间角 每一极距的空间角 每一极距所占的齿数
• 松下伺服电动机及驱动
1）
高电阻率导条的笼型转子结构与普通笼型异步 电动机的类似, 但是为了减小转子的转动惯量, 转 子做得细而长。转子笼条和端环既可采用高电阻率 的导电材料(如黄铜、青铜等)制造, 也可采用铸铝 转子。
1—机壳; 2—外定子; 3—杯形转子;4—内定子; 5— 图 7 - 7 非磁性空心杯形转子
控制电机的选择与使用
用于自动控制系统的具有特殊性能的小 功率电机，主要在控制系统中用作信号的检 测（测量）、传递、执行、放大或转换等。
执行元件：交、直流伺服电动机、步进电动机 （将电信号转换成轴上的角位移或角速度） 测量元件：交、直流测速发动机、自整角机和 旋转变压器（机械信号转变成电信号）
特殊电机的应用图片
问题与讨论
每拍转子转过的角度？ 电机的转速和转向？
（a）A相通电
（b）B相通电
（c）C相通电
ZR——转子齿数 N ——步进电机的相数
360 360 步距角 s 30 ZR N 4 3
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。
交流伺服电动机
作用：将输入的电压信号（即控制电压）转换成轴上的角位移 或角速度输出。 分类：同步、异步
7.1.2交流伺服异步电动机结构
实质：两相异步电动机（与单相异步电动机相似） 组成：定子：励磁绕组F、控制绕组C 转子 鼠笼式 空心制电压时立即停转
• 伺服电动机剖面
反应式步进电机结构：
定子：6个磁极，分为3相，每个磁极上都套有一个绕组 转子：均匀分布的4个齿，无绕组
“单三拍”名词解释： 单：每次只有一相控制绕组通电。 三拍：一个工作周期定子绕组通电改变3次
分类：单三拍、单双六拍和双三拍
1、单三拍控制
（a）A(U)相通电
（b）B相通电
（c）C相通电
A（U）相绕组通电时，B、C两相不通电，气隙中生成以 A-A’为轴线的 磁场。由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，将使转子齿 1、 3和定子A-A’对齐，即产生A-A’轴线方向的磁通。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。 B相绕组通电时，A、C两相不通电，气隙中生成以B-B’为轴线的磁场。 由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，将使离磁极 B-B’最近 的转子齿2、4和定子B-B’对齐，即产生B-B’轴线方向的磁通。 C相绕组通电时，A、B两相不通电，气隙中生成以C-C’为轴线的磁场。 由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，将使离磁极 C-C’最近 的转齿1、3和定子C-C’对齐，即产生C-C’轴线方向的磁通。
若采用三相单、双六拍通电方式运行，即按U-UV-V-VW-WWU-U顺序循环通电，同样步距角也要减少一半，即每一脉冲 时转子仅转动1.5°。 如果脉冲频率很高，步进电动机控制绕组中送入的是连续 脉冲，各相绕组不断地轮流通电，步进电动机不是一步一 步地转动，而是连续不断地转动，它的转速与脉冲频率成 正比。
转子齿数应符合下式条件： • • • • 式中: K ——正整数；
1 Z r 2 pm K m
2p ——一相绕组通电时在气隙中形成的 磁极数； m —— 例如上例中, 由于2p =1 , m = 3 , 可 选 K = 7 , 则得 Zr =40。 式中: N ——拍数, N=mC ;
非磁性空心杯形转子的结构如图7-7所示。定子分 外定子铁心和内定子铁心两部分,由硅钢片冲制后叠成。外 定子铁心槽中放置空间相距 90°电角度的两相绕组。内定 子铁心中不放绕组, 仅作为磁路的一部分,以减小主磁通磁 路的磁阻。空心杯形转子由非磁性铝或铝合金制成, 放在内、 外定子铁心之间,
2、交流伺服电动机工作原理 “自转”问 题
在单相异步电动机启动结束后，单相电流产生的脉动磁场 仍然使电机产生电磁转矩。 如果交流伺服电机工作时将控制绕组断电，此时伺服电机要 求电机停止转动，如果伺服电机不能停止转动，就产生“自 转”，就失去控制的目的。
“自转”问题的克服