专题五十二 步进电机（教案）-河南省对口招生《电压与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题五十二 步进电机（教案）-河南省对口招生《电压与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测 一、考纲解读 1.结构与分类：掌握步进电机的定子、转子结构，理解磁阻式、永磁式、混合式的分类及特点，明确相数（3-6相）对性能的影响，能区分不同结构类型的适用场景。 2.工作原理：理解脉冲信号与角位移的关系，掌握步距角公式（θ=360°/(mZ)）和转速公式（n=60f/(mZ)），熟悉单三拍、双三拍、六拍等通电方式的差异。 3.特性与应用：掌握转速仅取决于脉冲频率等核心特性，了解其在数控系统、精密控制中的应用，能分析低速振动、发热等典型问题的成因。 4.选择与维护：明确步距角、静力矩、电流三大选择要素，掌握失步、发热等问题的排查方法，理解驱动电源与电机匹配的重要性。二、知识点梳理 步进电机(见图8-37)是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电机一步一步地转动，每输入一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。 步进电机按其励磁相数，可以分为三相、四相、五相、六相甚至八相。一般来说随着相数的增加，在相同频率的情况下，每相导通电流的时间增加，各相平均电流会高些，从而使电动机的转速一转矩特性会好些，步距角亦小。但是随着相数的增加，电动机的尺寸就增加，结构亦复杂，目前多用3～6相的步进电机。 步进电机最早是在1920年代由英国人所开发。1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。 在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。 一、步进电机的结构 反应式步进电机的结构分解图如图8-38所示。 步进电机的外形，也与一般旋转电机一样，分为定子和转子两大部分。 定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，采用集中绕组，接成星形联结，其中每两个相对的磁极组成一相，由环形分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁。转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构。 1.步进电机的分类 (1)按其转子构造上的差异，可分为磁电式和反应式两大类，见表8-5。 (2)按步进电机输出转矩大小，可分为快速步进电机和功率步进电机。 (3)按励磁相数，可分为三相、四相、五相、六相等。 (4)按定子排列还可分为多段式(顺轴式)和单段式(垂轴式)。 2.典型步进电机的结构(见表8-6) 二、步进电机的工作原理 在电动机定子上有A、B、C三对磁极，磁极上绕有线圈，分别称之为A相、B相和C相，而转子则是一个带齿的铁心，这种步进电机称之为三相步进电机。如果在线圈中通以直流电，就会产生磁场，当A、B、C三个磁极的线圈依次轮流通电，则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。 首先有一相线圈(设为A相)通电，则转子1、3两齿被磁极A吸住，转子就停留在图8-39a的位置上。 然后，A相断电，B相通电，则磁极A的磁场消失磁极B产生了磁场，磁极B的磁场把离它最近的2、4两齿吸引过去，停止在图8-39b的位置上，这时转子逆时针转了30°。 再接下去B相断电，C相通电。根据同样道理，转子又逆时针转了30°,停止在图8-39c的位置上。 若再A相通电，C相断开，那么转子再逆转30°,使磁极A的磁场把2、4两个齿吸住。定子各相轮流通电一次转子转过一个齿。 这样按A→B→C→A→B→C→A→…次序轮流通电，步进电机就一步一步地按逆时针方向旋转。通电线圈每转换一次，步进电机旋转30°,把步进电机每步转过的角度称之为步距角。 如果把步进电机通电线圈转换的次序倒过来换成A→C→B→A→C→B→…的顺序，则步进电机将按顺时针方向旋转，所以要改变步进电机的旋转方向可以在任何一相通电时进行。 上述的通电方式称为三相单三拍，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指一个循环只换接三次。对于三相单三拍通电方式，在一相控制绕组断电而另一相控制绕组开始通电时容易造成失步，而且单一控制绕组通电吸引转子，也容易造成转子在平衡位置附近产生振荡，运行的稳定性比较差，所以很少采用。通常将通电方式改为三相双三拍，按AB→BC→CA→AB→BC→CA→…顺序进行，每次有两组控制绕组同时通电，如图8-40所示。当A、B两相同时通电时，磁通轴线与未通电的C相绕组的轴线C-C′重合，此时转子铁心齿3和齿4间的槽轴线与轴线C-C′对齐；当B、C两相同时通电时，转子齿4和齿1间的槽轴线与轴线A-A'对齐。由此可见，双三拍运行和单三拍运行的原理相同，步距角仍为30°角，但工作更稳定。若步进电机按A→AB→B→BC→C→CA→A→AB→B→BC→C→CA→…顺序通电，则称三相六拍运行方式，即为每相通电和两相通电相间，每循环共六拍。当A相通电时，转子齿轴在A-A'轴线上；当BC两相通电时，转子槽轴在C-C′轴线上；当C相通电时，转子齿轴在轴线B-B'轴线上。每拍转过15°角，即步距角θ=15°步进电机的控制精度由步距角θ决定，θ越小精度越高。 如果转子的齿数为Z,运行的拍数为m,则可见，每走一步，前进1/m的齿距(360°/Z),步进电机步距角θ为 当脉冲频率为f(Hz)时，步进电机的转速n(r/min)为 步进电机必须由专门驱动电源供电。普通的步进电机驱动电源是由逻辑电平与功率放大器组成，近年来微处理器与微型计算机技术给步进电机的控制开辟了新的途径。驱动电源和步进电机是一个整体，步进电机的功能和运行性能都是两者配合的综合结果。 三、步进电机的基本特点 步进电机转速只取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。步进电机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响(在允许的负载范围内),也不受环境条件(温度、压力、冲击和振动等)变化的影响，只与控制脉冲同步，同时，它又能按照控制的要求进行启动、停止、反转或改变速度，这就是它被广泛应用于各种数字控制系统中的原因。 四、步进电机常见问题分析与排查(见表8-7) 五、步进电机的选择 步进电机有步距角(涉及相数)、静转矩及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。 1.步距角的选 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率(当量)换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度(包括减速)。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36/0.72°(五相电机)、0.9°/1.8°(二、四相电机)、1.5°/3°(三相电机)等。 2.静力矩的选择 步进电机的动态力矩一般很难确定，往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接启动时(一般由低速)两种负载均要考虑，加速启动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2～3倍为好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来(几何尺寸)。 3.电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图(见图8-41),判断电机的电流(参考驱动电源及驱动电压)。 4.力矩与功率换算 步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P=ω·Mn=2π·Mn/60=2πnM/60,其中，P为功率，单位为W(瓦);w为每秒角速度，单位为rad(弧度);n为每分钟转速，M为力矩，单位为N·m(牛米)。P=2πfM/400(半步工作),其中，f为每秒脉冲数(简称pps)。 5.应用中的注意事项 (1)步进电机应用于低速场合——转速不超过1000 r/min,(0.9°时6666 pps),最好在1000~3000 pps(0.9°)间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪声低。 (2)步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。 (3)由于历史原因，只有标称为12 V电压的电机使用12 V外，其他电机的电压值不是驱动电压幅值，可根据驱动器选择驱动电压(建议：57BYG采用直流24～36V,86BYG采用直流50 V,110BYG采用高于直流80 V),当然12 V的电压除12 V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。 (4)转动惯量大的负载应选择大机座号电机。 (5)电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度启动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪声同时可以提高停止的定位精度。 (6)高精度时，应通过机械减速、提高电机速度，或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机。 (7)电机不应在振动区内工作，若无法避免必须可通过改变电压、电流或增加阻尼等方法来解决。 (8)电机在600 pps(0.9°)以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。 (9)应遵循先选电机后选驱动的原则。 三、真题练讲 1.(2023年河南省统一考试)步进电机的步距角θ的计算公式为（ ） A.θ=360°/(mZ) B.θ=60f/(mZ) C.θ=360°f/m D.θ=60m/Z 答案：A 解析：步距角是每输入一个脉冲电机转过的角度，与运行拍数m和转子齿数Z相关，公式为θ=360°/(mZ)，反映了脉冲与角位移的对应关系。 2.(2022年河南省统一考试)下列属于混合式步进电机特点的是（ ） A.无保持转矩 B.步距角大 C.兼具磁阻式和永磁式优点 D.转子无磁钢 答案：C 解析：混合式步进电机转子含轴向磁化磁钢，结合了磁阻式响应好和永磁式转矩大的优点，步距角小、精度高，故C正确。 3.(2024年河南省统一考试)三相六拍通电方式中，每拍转子转过的角度是三相单三拍的（ ） A.1倍 B.1/2 C.2倍 D.1/3 答案：B 解析：三相单三拍步距角30°，六拍方式每拍转过15°，后者为前者的1/2，因六拍每循环切换6次，细化了转动角度。 4.(2021年江苏省统一考试)步进电机转速n与脉冲频率f的关系为（ ） A.成正比 B.成反比 C.无关 D.平方关系 答案：A 解析：由转速公式n=60f/(mZ)可知，当m和Z固定时，n与f成正比，即脉冲频率越高，电机转速越快。 5.(2025年浙江省统一考试)步进电机低速时振动大，可采用的解决方法是（ ） A.降低脉冲频率 B.采用细分驱动器 C.增大驱动电流 D.提高电源电压 答案：B 解析：细分驱动器可将步距角细分，使转动更平稳，有效减小低速振动，是常用且简便的方法，其他选项无法直接改善振动问题。 四、限时练讲 1.下列不属于步进电机按转子构造分类的是（ ） A.磁阻式 B.永磁式 C.混合式 D.功率式 答案：D 解析：按转子构造分为磁阻式、永磁式、混合式，功率式是按输出转矩大小的分类，故D正确。 2.步进电机的转速n(r/min)与脉冲频率f(Hz)的计算公式为（ ） A.n=60f/(mZ) B.n=360f/(mZ) C.n=60mZ/f D.n=360mZ/f 答案：A 解析：转速由脉冲频率、拍数m和转子齿数Z决定，公式n=60f/(mZ)，反映了单位时间内转过的圈数与脉冲的关系。 3.三相双三拍通电方式的特点是（ ） A.每次一相通电 B.步距角30° C.运行稳定性差 D.无振荡现象 答案：B 解析：双三拍每次两相通电，步距角与单三拍相同（30°），但运行更稳定，振荡较小，故B正确。 4.导致步进电机力矩随转速升高而下降的主要原因是（ ） A.铁损增大 B.反电动势增大 C.铜损减小 D.负载减小 答案：B 解析：转速升高时，绕组电感产生的反电动势增大，导致相电流减小，力矩随之下降，这是其固有的特性。 5.选择步进电机时，静力矩应至少为摩擦负载的（ ） A.1～2倍 B.2～3倍 C.3～4倍 D.4～5倍 答案：B 解析：静力矩需覆盖摩擦负载并留有余量，通常取2～3倍，以保证电机稳定驱动负载，避免力矩不足。 6.步进电机失步中，“丢步”是指（ ） A.转子步数多于脉冲数 B.转子步数少于脉冲数 C.转子停转 D.转子反转 答案：B 解析：丢步是转子实际转动步数小于输入脉冲数，越步则相反，丢步会影响控制精度，需通过合理驱动避免。 7.永磁式步进电机的特点是（ ） A.无保持转矩 B.转子为软铁 C.有自锁能力 D.步距角均为15° 答案：C 解析：永磁式转子含永久磁铁，无励磁时仍有保持转矩，具备自锁能力，步距角多样，故C正确。 8.步进电机驱动电源的电压选择主要依据（ ） A.静力矩 B.步距角 C.工作转速和响应要求 D.转子齿数 答案：C 解析：电源电压需根据电机工作转速和响应要求选择，高速或高响应需求时电压应取较高值，以保证电流供应。 9.简述步进电机的工作原理。 答案：步进电机通过接收脉冲信号工作，定子绕组按特定顺序轮流通电产生磁场，吸引转子转动。每输入一个脉冲，转子转过一个步距角，角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率同步，通过改变通电相序可改变转动方向。 10.步进电机常见的失步原因有哪些？ 答案：失步原因包括：转子加速度慢于定子磁场（转矩不足）、转子速度高于磁场速度（能量过多）、负载惯性大（启动/停止困难）、共振（频率匹配固有频率）。需通过调整电流、加减速控制、细分驱动等解决。 五、学法建议 重点复习知识点： 1.重点掌握步距角（θ=360°/(mZ)）和转速（n=60f/(mZ)）公式，结合实例练习参数计算，理解拍数、齿数对性能的影响。 2.列表对比磁阻式、永磁式、混合式的结构、步距角、优缺点，明确不同通电方式（单三拍、双三拍、六拍）的差异及适用场景。 3.梳理发热、失步、振动等常见问题的成因与排查步骤，如失步可从转矩、惯性、共振等角度分析，建立“现象-原因-解决方法”的关联思维。 4.围绕步距角（匹配负载精度）、静力矩（覆盖负载）、电流（结合矩频特性）三大要素，掌握选型流程，结合实例理解参数匹配的重要性。 5.牢记低速使用、避免整步状态、合理选择驱动电压等应用要点，将理论与实操结合，提升问题解决能力。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$