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步进电机控制系统原理步进电机控制系统的原理是控制步进电机运动，使其按照既定的速度和步长进行转动。
步进电机是一种特殊的电机，它通过控制输入的脉冲信号来驱动转子旋转一定的角度，步进电机每接收到一个脉冲信号，转子就会转动一定的角度，因此可以精确控制电机的位置和速度。
控制器是步进电机控制系统的核心部分，它通过软件算法生成脉冲信号来控制步进电机转动。
脉冲信号的频率和脉宽可以调节，频率决定步进电机转动的速度，脉宽决定步进电机转动的步长。
通常采用微处理器作为控制器，通过编程来控制脉冲信号的生成。
驱动器是将控制器产生的脉冲信号转换为电流信号，驱动步进电机转动。
驱动器通常由一个或多个功率晶体管组成，通过开关控制来产生恰当的电流信号。
驱动器还可以采用电流反馈回路来实现闭环控制，提高步进电机的控制精度。
步进电机是根据驱动器的电流信号转动的执行部件，它通过电磁力和磁场相互作用来实现转动。
步进电机根据控制器产生的脉冲信号确定转动的角度和速度。
步进电机一般由定子和转子组成，定子上有若干个电磁线圈，转子上有若干个永磁体。
当驱动器给定一个电流信号时，电流通过定子线圈产生磁场，与转子上的永磁体相互作用，使转子转动一定的角度。
当驱动器改变电流信号时，磁场方向改变，转子转动的角度和方向也会改变。
步进电机控制系统的原理就是通过控制器产生脉冲信号，驱动器将脉冲信号转换为电流信号，通过电流信号驱动步进电机转动。
控制器根据需要调整脉冲信号的频率和脉宽，从而控制步进电机的转动速度和步长。
驱动器根据电流信号的大小和方向控制步进电机的转动角度和方向。
步进电机根据电磁力和磁场相互作用来实现转动。
通过调节脉冲信号的频率和脉宽，可以实现对步进电机的精确控制。
第13章步进电动机传动控制系统教学内容13.1 步进电动机13.2 步进电动机的环形分配器13.3 步进电动机的驱动电路13.4 步进电动机的运行特性及选用中应注意的问题教学安排本章安排2个学时，采用多媒体授课。
知识点及其基本要求1．掌握步进电动机步矩角和步进电动机转速的数学表达式及其物理意义；2．掌握步进电动机的结构、运行特性及影响因素。
重点和难点重点掌握步进电动机的通电方式和主要性能指标。
难点步进电动机的矩角特性和矩频特性。
教学设计1.了解步进电动机的结构和工作原理，掌握步进电动机的通电方式和求解步距角与转速的公式。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的机电执行元件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
(1)步进电动机的结构右图所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图，定子有6个磁极，每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组。
转子上装有四个凸齿。
图13-1 步进电动机结构图（2）步进电动机的基本工作原理步进电机的工作原理同电磁铁的工作原理，磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的特点。
图13-2 三相反应式步进电动机的工作原理图通电顺序A-B-C-A，转子便按顺时针方向一步步转动。
每换接一次，转子前进一个步距角。
通电顺序改为A-C-B-A便可反向旋转。
（3）步进电机的通电方式三相单三拍通电顺序：A-B-C-A或A-C-B-A，步距角30度（齿距90度）特点：每次只有一相控制绕组通电吸引转子，易引起在平衡位置振荡，稳定性差，绕组通电换极时易失步。
双三拍通电顺序：AB-BC-CA-AB或反过来，步距角30度（齿距90度）特点：始终有两相通电，感应力矩大，静态误差小，定位精度高，工作稳定，不易失步。
三相六拍通电顺序：A-AB-B-BC-C-CA-A步，距角15度（齿距90度）或A-AB-B-BC-C-CA-A特点：单、双相轮流通电，通电状态增加一倍、步距角减少一半，但具有双三拍的特点。
步进电机传动控制系统1.步进电机的定义步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
2.步进电机的优点（1）步距值不受各种干扰因素的影响。
（只要电压在工作范围内）如电压的大小，电流的数值、波形、温度的变化等。
（2）误差不长期积累。
步进电机每走一步所转过的角度与理论步距之间总有一定的误差，从某一步到任何一步，也总有一定的累积误差，但是，每转一圈的累积误差为零，所以步距的累积误差不是长期的累积下去。
（3）控制性能好，启动、停车、翻转都是在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运动方式都不会丢失一步。
所以，步进电机被广泛应用于数控机床上。
3.步进电机的缺点（1）力量小，承受的载荷比较小。
（2）失步会引起控制误差，转速有限。
4.步进电机的种类步进电动机分为反应式、永磁式及混合式三种基本类型。
（1）反应式定子上有绕组、转子由软磁材料组成。
结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。
（软磁材料加磁场既容易磁化,又容易退磁,即矫顽力很低的磁性材料。
）（2）永磁式永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。
其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。
（永磁材料磁性硬是指磁性材料经过外加磁场磁化以后能长期保留其强磁性，其特征是矫顽力高。
）（2）混合式混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。
习题与思考题
13.1 通过分析步进电动机的工作原理和通电方式，可得出哪几点结论？
步进电动机的位移和输入脉冲数严格成正比,这就不会引起误差的积累。
其转速与脉冲频率和步矩角有关,控制输入脉冲数量,频率即电动机各组的接通次序,可以得到各种需要的运行特征。
13.4 步进电动机的步距角之含义是什么？一台步进电动机可以有两个步距
角，例如，3o/1.5o，这是什么意思？什么是单三拍、单双六拍和双六拍？
每当输入一个电脉冲时,电动机转过的一个固定的角度,这个角度称之为步矩角。
一台步进电动机有两个步矩角,说明它有两种通电方式, 3o得意思是单拍时的步矩角. 1.5o得意思是单双拍或双拍似的步矩角。
单三拍:每次只有一相绕阻通电,而每个循环只有三次通电。
单双六拍:第一次通电有一相绕阻通电,然后下一次又两相通电,这样交替循环运行,而每次循环只有六次通电。
双三拍:每次又两相绕阻通电,每个循环由六次通电。
13.5 一台五相反应式步进电动机，采用五相十拍运行方式时，步距角为1.5o，
若脉冲电源的频率为3000Hz，试问转速是多少？
n=βf*60/2π=1.5*3000*60/2*3.14 =42993.6r/min
转速是42993.6r/min
13.6 一台五相反应式步进电动机，其步距角为1.5o/0.75o，试问该电机的
转子齿数是多少？
1.5=360/ZKM
1.5=360/Z*5*1
Z=48
电机的转子齿数是48
13.9 步进电动机的运行特性与输入脉冲频率有什么关系？
当点流为矩形波频率增加时,由于电动机绕组中感应又阻止电流变化的作用,因此电流波形发生畸变.当脉冲频率很高时,电流还未来得及赶上稳定值就开始下降,与时电流幅值降低,因而产生的转矩减小,致使带负载的能力下降,频率过高会使不仅电动机启动不了,或运行时停下来。
13.10 步距角小、最大静转距大的步进电动机，为什么启动频率和运行频率高？
n=βf*60/2π
f=nπ/β*30 β越小运行f就越高。
13.11 负载转矩和转动惯量对步进电动机的启动频率和运行频率有什么影响？
T
负载转矩和转动惯量越大,步进电动机的启动转矩和运行频率越高。
13.12 列出三相六拍形分配器的反向环形分配表。
13.13 步进电动机对驱动电路有何要求？常用驱动电路有什么类型？各有什么特点？
步进电动机的驱动电路实际上是一个脉冲放大电路,使脉冲具有一定的功率驱动能力,由于功率放大输出直接驱动电动机绕阻,因此,功率放大的性能对步进电动机的运行性能有很大的影响。
因此对驱动电路的要求是如何提高不尽电动机的快速性和平稳性。
类型1：单电压限流型驱动,电阻R上有功率消耗为了提高快速性需要加大R 的组织,由于阻值加大电源的电压也势必提高,功率消耗也进一步加大正因为这样,此电路使用受到限制。
类型2：高低压切换型驱动电压，优点: 功耗小,启动力矩大,突跳频率和工作频率高。
缺点:大功率管的数量要多一倍,增加了驱动电源。
13.17 使用步进电动机需注意哪些主要问题？
①驱动电源的优劣对不仅电动机控制系统的运行影响极大,使用时要特
别注意,需要根据运行要求,尽量采用先进的驱动电源,以满足不仅电
动机的运行性能。
②若所带负载转矩较大,则应在低频下启动,然后在上升到工作频率,停
车时也应从工作频率下降到适应频率在停车。
③在工作过程中,应尽量避免由于负载突变而引起误差。
④若在工作过程中发生失步现象,首先应检查负载是否过大。
电源是否
正常,在检查驱动电源输出波形是否正常.在处理问题时不应随便更换元件。
