专题五十四 步进电机（课件）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

《电机与变压器》（第5版） 高教社 专题五十四 步进电机 目录 01 考纲解读 04 内容归纳小结 02 知识点梳理和重点概念复习 03 真题或常考题讲解 2 考纲解读—常见考点 03 02 01 步进电机按转子结构主要分为哪两类？简述其核心区别。 步进电机运行时出现“丢步”现象，可能的原因有哪些？列举2条常见原因及对应排查思路。 简述步进电机“一步”运动的基本工作原理（以三相反应式为例）。 考纲解读—考试要求 试题以单选、填空、判断、简单简答为主，侧重基础知识点的应用，避免复杂计算和抽象分析。 能识别步进电机的常见故障，掌握基本排查思路；能根据简单需求选择合适的步进电机。 掌握步进电机的基本结构、分类、核心参数定义，理解工作原理的基本逻辑。 4 考纲解读—易考题型 简述步进电机的基本工作原理 简答题 结合当前智能家居、汽车电子等领域，谈谈步进电机的发展趋势及对这些领域的影响 论述题 步进电机的转动是依靠（ ）实现的？ 选择题 5 知识点梳理和重点概念复习—知识点思维导图 知识点梳理和重点概念复习 反应式步进机的结构分解图如图8-38所示。 步进电机,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。 一、步进电机的结构 知识点梳理和重点概念复习 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。 一、步进电机的结构 知识点梳理和重点概念复习 (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)。例图为双段四相永磁感应子式步进电机结构 一、步进电机的结构 知识点梳理和重点概念复习 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弓转子转动。例图8-39为步进电机工作原理图。 二、步进电机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 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。步进电机投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。 三、步进电机的基本特点 知识点梳理和重点概念复习 力矩会随转速的升高而下降：当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致高而下降力矩下降。 低速时可以正常运转,但若高于一定速度在有负载的情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该就无法启动,并伴有啸叫声：步进电机有一个技术参数:空载起动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启低速时可以正常运动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频。 四、步进电机常见问题分析与排查 知识点梳理和重点概念复习 步进电机为什么会发热：对于各种步进电机而言,内部都是由铁心和绕组组成的。绕组有电阻,通电会产生损耗,损耗大小与电阻和电流的平方成正比,这就是常说的铜损,如果电流不是标准的直流或正弦波,还会产生谐波损耗;铁心有磁滞涡流效应,在交变磁场中也会产生损耗,其大圏小与材料、电流、频率和电压有关,这就是铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来,从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出,效率比较低,电流一般比较大,且谐波成分高,电流交变的频率也随转速而变化,因而步进电机普遍存在发热情况,且情况比一般交流电机严重。 四、步进电机常见问题分析与排查 知识点梳理和重点概念复习 混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE使用：当脱机信号FREE为低电平时,驱动器输出到电机的电流被切断,电机转子处于自由状态(脱机状态)。在有些自动化设备中,如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴(手动方式),可将FREE信号置低,使电机脱机,进行手动操作或调节。手动完成后,再将FREE信号置高,以继续自动控制。 电机发热的影响：电机发热虽然一般不会影响电机的寿命,通常没必要理会。但是,严重的发热会带来一些负面影响。例如,电机内部各部分热膨胀系数不同导致结构应力的变化和内部气隙的微小变化,会影响电机的动态响应,高速会容易失步。又如有些场合不允许电机的过度发热,如医疗器械和高精度的测试设备等。因此对电机的发热应当进行必要的控制。 四、步进电机常见问题分析与排查 知识点梳理和重点概念复习 如何减少电机的发热：减少发热,就是减少铜损和铁损。减少铜损有两个方向,减少电阻和电流,这就要求在选型时尽量选择电阻小和额定电流小的电机,对两相电机,能用串联的电机就不用并联电机。但是这往往与力矩和高速的要求相抵触。对于已经选定的电机,则应充分利用驱动器的自动半流控制功能和脱机功能,前者在电机处于静态时自动减少电流,后者干脆将电流切断。另外,细分驱动器由于电流波形接近正弦,谐波少电机发热也会较少。减少铁损的办法不多,电压等级与之有关,高压驱动的电机虽然会带来高速特性的提升,但也带来发热的增加。因此,应当选择合适的驱动电压等级,兼顾高速性、平稳性和发热与噪声等指标。 四、步进电机常见问题分析与排查 知识点梳理和重点概念复习 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.步距角的选择 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。 五、步进电机的选择 知识点梳理和重点概念复习 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痃惊直接启动时(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)。 五、步进电机的选择 知识点梳理和重点概念复习 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。 五、步进电机的选择 知识点梳理和重点概念复习 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1000r/min,(0.9°时6666 pps),最好在1000~3 000pps(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)转动惯量大的负载应选择大机座号电机。 五、步进电机的选择 知识点梳理和重点概念复习 (4)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。 (5)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。 (6)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。 五、步进电机的选择 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：“丢步”指电机转动角度小于脉冲信号对应的理论角度，当负载超过电机额定转矩时，电机无法带动负载跟随脉冲转动，易出现丢步；负载小、频率低、电压稳定不会导致丢步。 1.下列哪种情况会导致步进电机“丢步”（ ） A. 负载过小 B. 脉冲频率过低 C. 负载过大 D. 电压稳定 21 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：步进电机是控制用电机，每接收一个控制脉冲就转动一个固定角度，转动总角度与脉冲数量成正比；A、B、D不直接决定转动角度，故选C。 2.步进电机的启动频率与运行频率相比（ ） A. 启动频率高 B. 运行频率高 C. 两者相等 D. 无法比较 22 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：步距角决定电机的定位精度，需先根据设备对精度的要求确定步距角，再匹配其他参数；额定电压、尺寸、重量为后续适配参数。 3.选择步进电机时，首先要考虑的参数是（ ） A. 额定电压 B. 步距角 C. 外形尺寸 D. 重量 23 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：细分驱动通过控制绕组电流的渐变，将一个步距角分成若干小角度（如16细分、32细分），可显著减小实际步距角；增加相数、减少转子齿数对步距角影响有限，降低电压无作用。 4.若需要步进电机实现更小的步距角，可采用（ ）方式 A. 增加相数 B. 减少转子齿数 C. 细分驱动 D. 降低电压 24 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：当脉冲频率接近电机的机械共振频率时，电机易产生共振，表现为“啸叫”；负载过大、电压过低会导致转矩不足，绕组断路会导致无法转动，均不会直接引发啸叫。 5.步进电机运行时出现“啸叫”，可能的原因是（ ） A. 负载过大 B. 脉冲频率接近共振频率 C. 电压过低 D. 绕组断路 25 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：步进电机转速与脉冲频率成正比，与电压无关；增量式控制（按脉冲增量控制位置）、无需反馈、定位精度高均为其基本特点。 6.下列不属于步进电机基本特点的是（ ） A. 增量式控制 B. 无需位置反馈 C. 转速与电压成正比 D. 定位精度高 26 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：永磁感应子式（混合式）转子既有永磁体，又有类似反应式的齿槽结构，兼具反应式步距角小、运行平稳和永磁式转矩大、效率高的优点。 7.永磁感应子式步进电机结合了（ ）的优点 A. 反应式和永磁式 B. 直流式和交流式 C. 高速式和低速式 D. 大转矩和小转矩 27 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：步进电机的转动方向由绕组通电顺序决定，如三相电机“ABC”顺序通电时正转，“ACB”顺序通电时则反转。 8.步进电机的定子绕组通电顺序改变，其转动方向会（ ） A. 不变 B. 反转 C. 停止 D. 不确定 28 常考习题练习与讲解—填空题 答案：脉冲 解析：步进电机的核心工作原理是接收脉冲信号并转化为机械位移，持续电流或模拟信号无法实现其“步进式”运动。 1.步进电机是一种将______信号转换为角位移或线位移的执行元件。 29 常考习题练习与讲解—填空题 答案：永磁式 解析：转子结构是步进电机的主要分类依据，反应式、永磁式为基础类型，永磁感应子式（混合式）是结合两者优点的改进类型。 2.按转子结构，步进电机可分为反应式、______和永磁感应子式三类。 30 常考习题练习与讲解—填空题 答案：步距角 解析：步距角是衡量步进电机定位精度的核心参数，步距角越小，定位精度越高。 3.步进电机每接收一个脉冲信号转过的角度称为______。 31 常考习题练习与讲解—填空题 答案：双相 解析：三相步进电机的基本通电方式包括单相通电（如单三拍）和双相通电（如双三拍），双相通电因转矩更大、运行更平稳而应用更广泛。 4.三相步进电机的通电方式主要有单相通电和______通电两种基本形式。 32 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：由转速公式可知，在步距角固定时，脉冲频率直接决定转速，频率越高，转速越快，二者呈正比关系。 1.步进电机的转速与输入脉冲频率成正比。（ ） 33 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：反应式步进电机转子由软磁材料制成，无永磁体，其转矩依赖定转子间的磁阻变化产生；永磁体是永磁式步进电机的转子特征。 2.反应式步进电机的转子带有永磁体。（ ） 34 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：步距角是电机每步转动的角度，步距角越小，单位脉冲对应的位移越小，定位时的调节精度越高。 3. 步进电机的步距角越小，定位精度越高。（ ） 35 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：永磁式转子的永磁体与定子铁芯间存在磁吸力，即使不通电，也能产生定位力矩，使转子保持在固定位置。 4.永磁式步进电机在不通电时仍有定位力矩。（ ） 36 常考习题练习与讲解—简答题 答案：基本特点包括：①脉冲控制：转速与脉冲频率成正比，位置与脉冲数量成正比；②开环控制：无需位置反馈即可实现一定精度的定位；③固定步距角：定位精度可预测，由步距角决定；④低速大转矩：低速运行时输出转矩大，适合重载启动；⑤定位力矩差异：永磁式不通电有定位力矩，反应式无；⑥运行平稳性：相数越多或采用细分驱动，运行越平稳。 1.步进电机的基本特点有哪些。 37 常考习题练习与讲解—简答题 答案：细分驱动是通过控制定子绕组电流的渐变（而非突变），将步进电机的一个标准步距角分成若干个更小角度的驱动方式。主要作用：①减小步距角，提高定位精度和分辨率；②降低电机低速运行时的振动和噪音；③使电机转速和转矩输出更平稳，改善动态性能。 2.什么是步进电机的细分驱动？其主要作用是什么？ 38 常考习题练习与讲解—简答题 答案：主要原因是适应智能手机、智能穿戴设备等小型电子设备的安装空间需求，这类设备体积有限，需体积更小的微特电机适配。例如，智能手机的摄像头模组体积微小，需小型化的微特电机驱动镜头对焦，若电机体积过大，将无法装入摄像头模组。 3.微特电机“小型化”发展趋势的主要原因是什么？请结合具体应用场景说明。 39 常考习题练习与讲解—简答题 答案：输出扭矩是驱动用微特电机带动负载的关键指标，它决定了电机能否克服负载的阻力矩并驱动负载正常运转。若电机输出扭矩小于负载阻力矩，电机将无法带动负载转动，导致设备无法正常工作；只有输出扭矩大于或等于负载阻力矩，电机才能有效驱动负载，因此选型时需重点关注输出扭矩。 4.驱动用微特电机选型时，为何需重点关注输出扭矩参数？ 40 重点复习知识点： 1. 结构与分类：核心由定子（含绕组）和转子组成；反应式成本低、力矩小，适用于轻载；永磁式力矩大、体积小，适用于中载；混合式综合性能优，应用最广。 2. 工作原理：通过顺序切换定子绕组通电状态，利用磁场吸引力带动转子分步转动。重点掌握三相三拍（A→B→C→A）和三相六拍（A→AB→B→BC→C→CA→A）的通电顺序。 3. 特点与故障排查：优点为精度高、控制简单，缺点是低速易振动、过载能力弱。常见故障中，丢步需查电源和负载，堵转需排查电流和机械卡阻，噪音大需检查润滑和频率匹配。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 课堂小结 41 $