1. 单脉冲运行
T
C
-p a o0 o1
p
b
qse
qr
静态稳定区
q
当加上一个控制脉冲信 号，矩角特性将转移到 矩角特性族中的下一条 矩角特性曲线，转子将 转到新的稳定平衡位置 o1。在改变通电状态时， 只有当转子起始位置位 于ab之间才能使它向o1 点运动。因此称区间ab 为电动机空载时的动态 稳定区。
脉冲频率很低时的低频共振 频率介于极低频与高频 之间，此时脉冲间隔较长，电 动机起动和运行一般不会有问 题。但是，如果等于或接近于 步进电动机的振荡频率时，电 动机就会出现低频共振。 A相通电，OA—d—OB—e— OB—d，此时第二个脉冲到来， 通电绕组由B相换为C相，工 作点由d移到f，由于转矩为负， 转子返向转动向O’C移动。
新矩角特性上对应点的转矩小于 负载转矩，转子不能到达新的稳 定平衡点o”1，而是向q减小的方 向运动，因此不能作步进运动。
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4.步进电机
由此可知，步进电动机能带的最大负载转矩要比最大静转矩 Tmax小。只有当负载转矩小于起动转矩(最大负载转矩)Tst，才 能保证电动机进行正常的步进运动。 若矩角特性为幅值相等的正弦波时，可得：
转子
q=0, T=0;
q>0, T<0 ;
q<0, T>0;
q=p, T=0
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4.步进电机
当只有一相绕组通电时，储存在电机气 隙中的磁场能量为
1 Wm LI 2 2
dWm T d
q Zr
磁导变化曲线
1 1 ( d q ) ( d q )cos q 2 2
4.2 反应式步进电动机的结构与工作原理
一、反应式步进电动机的结构 1. 单段式 2. 多段式
a)径向磁路 b)轴向磁路
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4.步进电机
径向磁路
1—线圈；2—定子；3—转子
轴向磁路
1—线圈；2—定子；3—磁轭
4—转子；5—引出线
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最大负载转矩(又称起动转矩)：
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4.步进电机
T
o"0
Tst TL1
-p o'0 o0 o'1 o1
-p
T o"1 TL2 Tst
p q
o0
o1
p q
TL1<Tst
TL2>Tst
因新的矩角特性曲线上对应点的电磁 转矩大于负载转矩，使转子加速并向 q增大的方向运动，最终到达新的稳 定平衡点o’1.
(机械角度)
N mC
此处，m为控制绕组相数，C为状态系数，单三、双三拍时， C=1；单双六拍时C=2。 如果连续不断地输入脉冲，则电机转子就连续旋转， 1 其转速与脉冲频率有关。每输入一个脉冲，转子转过： Zr N
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4.步进电机
每秒钟输入f 脉冲，则转过 f/ZrN 转，故电机转速为： 60 f n rpm Zr N
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4.步进电机
为减小振荡幅度和时间，可 增加阻尼：
•机械阻尼：增加电机转子的 干摩擦阻力或增加粘性阻力。 缺点：增大了惯性，快速性 能变坏，体积增大。 •电气阻尼：多相激磁阻尼、 延迟断开阻尼。优点：方法 简单，效果好。
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4.步进电机
绕组中通以直流电流时，转子的最后稳定位置; (2)失调角q：指步进电动机转子偏离初始平衡位置的电角度。 在反应式步进电动机中，转子一个齿距所对应的度数为2p电 弧度或360o电角度； (3)矩角特性：在不改变通电状态(即控制绕组电流不变)时， 步进电动机的静转矩与转子失调角的关系，即Tf(q)
定子
低频共振现象
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4.步进电机
脉冲频率很高时的连续运行 当控制脉冲的频率很高时， 脉冲间隔的时间很短，电机转 子尚未到达第一次振荡的幅值， 甚至还没有到达新的稳定平衡 位置，下一个脉冲就到来。此 时电机的运行已由步进变成了 连续平滑的转动，转速也比较 稳定。 当频率太高时，也会产生 失步，甚至还会产生高频振荡。
BC相导通
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4.步进电机
3. 三相单、双六拍运行方式
按A-AB-B-BC-C-CA或相反顺序通电，即需要六拍才完成一 个循环，因此步距角为： q qt 90 15 s 6 6
A
B'
4 3
A
C'
2 1
C'
1
B'
4
B
C
B
2 3
C
A'
A'
A相导通
AB相导通
W W 2 I
dWm 1 2 dL 1 Zr 2 d 2 T I (WI ) (WI ) d q sin ( Zr ) d 2 d 2 d 4
(
)
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4.步进电机
Tmax sin ( Zr ) Tmax sin q
J d 2 qe qe 0 2 Z rTmax dt
解为：
qe qe 0 cos 0t
Z rTmax 0 J
1 Z rTmax f0 2p J
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4.步进电机
2. 连续脉冲运行
极低频--连续步进运行
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4.步进电机
齿距角：
360 qt 90 Zr
步距角：
90 qs 3 3
qt
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4.步进电机
2. 三相双三拍运行方式
按AB-BC-CA-AB或相反的顺序通电，每次同时给两 相绕组通电，且三次换接为一个循环。步距角与三相单三 拍运行方式的步距角相同。
AB相导通
Z r (WI ) ( d q ) 4
2
Tmax
步进电动机的矩角特性
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4.步进电机
(4)静态稳态区：在空载时，稳定平衡位 置对应于q=0处，而q=180度则为不 稳定平衡位置。在静态情况下，如受 外力矩的作用使转子偏离稳定平衡位 置，但没有超出相邻的不稳定平衡点， 则当外力矩除去以后，电动机转子在 静态转矩作用下仍能回到原来的稳定 平衡点，所以二个不稳定平衡点之间 的区域构成静态稳定区。 (5)最大静转矩：Tmax=f(I)
4.步进电机
二、工作原理
三相反应式步进电动机有三种运行方式： (1) 三相单三拍运行； (2) 三相双三拍运行； (3) 三相单、双六拍运行 “三相” —指步进电机的相数； “单” —指每次只给一相绕组通电；“双”则是每次 同时给二相绕组通电； “三拍”—指通电三次完成一个循环
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当负载转矩为零，且不计阻尼作用时，用外力使转子偏离稳 定平衡位置一个小角度，然后释放，则转子将在电磁转矩作 用下向稳定位置运动，形成一个自由振荡，其运动方程为：
d J T dt
d 2q J 2 Tmax sin qe dt
qe Z r q
J d 2 qe sin qe 0 sin qe qe 2 Z rTmax dt
Tmax K
Z r (WI ) 2 ( d q ) 4
最大静转矩特性
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4.步进电机
(6) 矩角特性族
A T B C A
OA
OB
OC
2p qse 3
q
三拍时的矩角特性族
六拍时的矩角特性族
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4.步进电机
二、动态特性
360 qs pN 2p 2p p q se N 2m m
连续运行状态
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4.步进电机
起动频率和起动特性 fst 是指一定负载转矩下能够不失步地起动的脉冲最高频率， 它的大小与电动机本身参数、负载转矩及转动惯量的大小， 以及电源条件等因素有关。它是步进电动机的一项重要技术 指标。
fst=f(TL) fst=f(J)
起动矩频特性 起动惯频特性
4. 小步距角磁阻式步进电机
转子上有均匀分布的40个齿.
360 qt 9 40
360 360 qs 3 Z r N 40 3 1
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4.步进电机
小步距角步进电动机中的转子齿数，必须满足一定的要 求，才能保证电机产生步进运动。
当A相极面下的定、转子齿对齐时，B和C极面下的齿就分别 和转子齿相错三分之一的转子齿，即3度。 1 转子齿数应符合： Z r 2mp K 2mpK 2 p m
主要缺点：效率较低，需配适当的驱动电源，带惯性负载
的能力不强。
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4.步进电机
种类：
磁阻式(反应式)
励 磁 方 式 永磁式 混合式 运 行 方 式 旋转型
直线型
平面型
系统构成：
脉冲信 号输入 脉冲分配器 脉冲放大器 步进 电机
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4.步进电机
步进电机
4.步进电机
4.1 简介
步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲 信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机。
主要优点：步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，
仅与脉冲频率有关。它每转一周都有固定的步数，在不丢步 的情况下运行，其步距误差不会长期积累，从而使它适合于 在数字控制的开环系统中作为驱动电动机，也可用作闭环系 统的驱动元件。