步进电动机
概述
特点：步进电动机是一种将数字式电脉冲信号转换成机械角位移的机电信号，它的机械角位移与输入的数字脉冲信号有着严格的对应关系：即一个脉冲信号可以使步进电动机前进一步，因此，又被称为脉冲电动机。是一种比较理想的执行元件。
	步进电动优点比较多：可以直接实现数字控制，控制性能好，无摩擦，抗干扰能力强，误差不长期积累，具有自锁能力和保持转矩的能力。
分类：主要有反应式、励磁式等。反应式步进电动机的转子上没有绕组，依靠变化的磁阻生成磁阻转矩工作。励磁式步进电动机的转子上有磁极，依靠电磁转矩工作。反应式步进电动机的应用最为广泛，它有两相、三相、多相之分，也有单段、多段之分。
§3-1 基本原理
反应式步进电动机的结构特点
   步进电动机由定子和转子两大部分组成。
    例：三相反应式步进电动机的结构简图如图3.1所示，定子有六个磁极，每相对磁极构成一相控制绕组，转子上有均布的四个齿。
概念：齿距就是相邻两齿中心线（或称齿轴线）的夹角，又称为齿距角，计算公式为：     图3-1   三相反应式步进电机模型
                                 （3-1）
— 齿距角；  — 转子齿数
二、工作原理：
基本原理：
反应式步进电动机是由通电相控制绕组使该相控制极建立磁场，由于转子齿槽磁导的差异，当定子齿轴线与转子齿轴线不一致时，磁极对转子齿将产生吸力，进而形成电磁转矩—反应转矩，并最终使转子齿轴线转至与定子磁极齿轴线一致，转据磁导最大的位置。如果按照一定的顺序给各相控制绕组轮流通电，将在定子内空间形成步进式磁极轴旋转，转子在反应式电磁转矩的作用下，随之作步进式转动。
（a）A相通电                 （b）B相通电                （c）C相通电
图3-2 反应式步进电动机的工作原理图
例：四相反应式步进电动机局部展开图，它有八个控制磁极，每磁极上带有五齿四槽，转子上有均布的50个齿槽，则每相邻相磁极中心线夹角—极距角
图3-3四相反应式步进电动机局部展开图
经过四次换接通电状态，就完成了一个循环。
拍：称每一次通电状态的换接为拍，每一拍转子相应旋转一个步距角；把完成一个通电状态循环所需要换接的控制绕组相数或通电状态次数称作拍数，用N表示，则步距角          或                      （3-2）
转速：步进电动机即可作单步运行（按控制指令转过一定的角度），又可连续不断的旋转。当外加一个控制脉冲时，即每一拍，转子将转过一个步距角，这相当于整个圆周角的，也就是转，如果控制脉冲的频率为f，转子的转速为
（r /min）                    （3-3）
通电状态：
单相轮流通电方式：每次切换前后只有一相绕组通电。
特点：在这种通电方式下，电动机工作的稳定性较差，容易失步。
如：四相单四拍 
② 双相轮流通电方式：每次有两相绕组通电，通电状态切换时，转子转动平稳，且输出力矩较大，这种通电方式定位精度高而且不易失步。
如：四相双四拍：
③ 单双相轮流通电方式：上述两种通电方式的组合。
如：四相八拍：
经过八拍完成一个循环。步距角为四相单四拍或四相双四拍的一半
§3-2静态特性
电角度的概念：从步进电动机的工作原理可看出，无论以何种方式—— 单拍制或双拍制通电，完成一个通电循环，转子将转过一个齿距角。再经过一个循环，转子将重复刚才的运动，继续转过一个齿距。因此步进电动机的特性完全可由一个齿距范围（一个齿与一个槽）内的特性来代表。定义电角度等于机械角度与转子齿数乘积
  用电角度表示的齿距角为
             （3-4）
无论转子齿有多少个，以电角度表示的齿距角和步距角与齿数无关。
一、矩角特性（重点）
单项控制的矩角特性
单相控制绕组通电状态不变的条件下，控制磁极对转子作用的电磁转矩与转子偏转角的关系
以A相控制绕组为基准：                       （3-5）
图3-4 矩角特性曲线族
*静稳定区：通电状态不变的情况下，当转子去掉外转矩后，能回到初始稳定平衡位置的转子偏转角范围。
多相控制时的矩角特性
三相步进电动机：单相控制，A相控制绕组通电时 
                       （3-6）
 四相步进电动机：以A相为基准，采用四相单四拍运行时，各相控制绕组单独通电的矩角特性
                                      （3-7）
应用叠加原理，可以方便地得到四相双四拍的矩角特性曲线族和它的解析表达式：
                           （3-8）
图3-5  四相步进电动机多相控制
§3-3动态特性
单脉冲作用下的运行
又称单步运行，即在带电不动的初始状态下，切换一次脉冲电压。
空载状态
图3-6 空载状态的单步运行
负载状态
图3-7 负载状态的单步运行
负载能力：
起动转矩：各项矩角特性曲线的交点—— 代表的电磁转矩值为步进电动机单步运行所能带动的最大负载转矩，称为起动转矩。当时，电机才能正常运转
图3-8 负载能力
单脉冲作用下电动机的震荡现象
设电动机的负载转矩为零，一相控制绕组通电，转子处于静态稳定平衡位置。设θ为偏转角（机械角），考虑粘性摩擦产生的阻转矩，转子的运动方程
                                            （3-9）
此为衰减震荡过程
连续运行时步进电动机的动态特性
动稳定区和稳定裕度：
*动稳定区：在第n相控制绕组通电状态换接为第n+1相控制绕组通电状态瞬间，转子位置只要在这个区间，就能转向新的稳定平衡点,且不超过不稳定平衡点。把区域称作动稳定区。
的范围叫做稳定裕度
图3-9 静稳定区和动稳定区
步进电动机的起动过程和起动频率
起动过程：设步进电动机的负载转矩为零，在一相控制绕组恒定通电时，转子位于稳定平衡点。由A换接到B相运动，下一拍时分两种情况：
转子角位移较大，在点换接到，矩角特性转矩为正，可以到达新稳定平衡点
转子角位移不大，在点切换，矩角特性转矩为负，将不能到达新稳定平衡点
图3-10 起动过程分析
§3-4驱动电路
图3-11 驱动电路基本构成
步进电动机的运动由一系列电脉冲控制，脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。为了使电动机能够输出足够的功率，经过环形分配器产生的脉冲信号还需要进行功率放大。
环形分配器、功率放大器以及其他辅助电路统称为步进电机的驱动电源。步进电动机、驱动电源和控制器构成步进电动机传动控制系统
一、单一电压型驱动电路
步进电动机一相的驱动电路如图3.12所示。这种电路的特点是线路简单，成本低，低频时响应较好；缺点是效率低，尤其在高频工作的电动机效率更低。在实际中较少使用，只有在小功率步进电动机且在
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