第十三章--步进电动机传动控制系统

《机电传动控制》课程学习指导书课程学习方法指导《机电传动控制》是机械类、机械电子工程（机电一体化）等专业的一门主干技术基础课。

本课程的先修课程主要有电路、模拟电子技术、数字电子技术等。

本课程学习的基本要求是：（1）了解机电传动控制系统的组成，掌握机电传动的基本规律；（2）掌握常用电机、电器、晶闸管及其基本电路的基本工作原理、主要特性，了解其应用与选用；（3）掌握继电器-接触器控制、可编程控制器的基本工作原理，学会用它们来实现生产过程的自动控制；（4）学会分析机电传动控制系统的基本方法。

本课程学习时，首先要了解问题是如何提出的，特别是注意对基本物理概念、基本工作原理、基本公式的理解和掌握，学会分析问题的方法和思路，注意各个部分内容之间的联系，了解其应用；而后做课程指导书中的相关自测题目，用以检验对所学内容的掌握程度；同时应合理安排学习时间，按照计划阅读教材，提高学习效率。

课程学习进度安排本课程学习时建议每周完成3～4个学时。

并认真阅读本课程指导书、完成相关自测题目。

具体进度可参照下列学时分配进行第一章概述(1学时)第二章机电传动系统的动力学基础(3学时)第三章直流电机的工作原理及特性(5学时)第四章交流电动机的工作原理及特性(6学时)第五章继电器—接触器控制系统(4学时)第六章可编程序控制器PLC(5学时)第七章电力电子学—晶闸管及其基本电路(5学时)第八章步进电动机传动控制系统(3学时)课程学习课时分配第一章概述(1学时)1) 机电传动的目的和任务2) 机电传动及其控制系统的发展概况3) 课程的性质、任务及其总体安排第二章机电传动系统的动力学基础(3学时)1) 机电传动系统的运动方程式2) 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算3) 生产机械的机械特性4) 机电传动系统稳定运行的条件第三章直流电机的工作原理及特性(5学时)1) 直流电机的基本结构和工作原理2) 直流发电机3) 直流电动机的机械特性4) 直流他励电动机的启动、调速、制动特性第五章交流电动机的工作原理及特性(6学时)1) 三相异步电动机的结构和工作原理2) 三相异步电动机的定子电路和转子电路3) 三相异步电动机的转距与机械特性4) 三相异步电动机的启动、调速、制动特性5) 单相异步电动机6) 同步电动机的工作原理、特点及应用第八章继电器—接触器控制系统(4学时)1) 常用控制电器与执行电器2) 继电器—接触器控制的常用基本线路3) 继电器—接触器控制线路举例及设计简介第九章可编程序控制器PLC(5学时)1) 可编程序控制器的基本结构、工作原理和主要特点2) 可编程序控制器的内部等效继电器电路3) 可编程序控制器的编程和指令系统4) 可编程序控制器的应用第十章电力电子学—晶闸管及其基本电路(5学时)1) 电力半导体器件2) 单相可控整流电路3) 三相可控整流电路4) 逆变器第十二章步进电动机传动控制系统(3学时)1) 步进电动机2) 步进电动机的计算机控制3) 步进电动机的驱动电路第一章绪论（略）第二章机电传动系统的动力学基础2.1 本章学习目标1．理解多轴拖动系统中转矩和转动惯量的折算，了解集中典型的生产机械的机械特性；2．熟练掌握机电传动系统的运行方程式，转矩和转动惯量的折算原则，机电传动系统稳定运行的条件；3．能运用机电传动系统稳定运行的条件，分析和判别系统的稳定平衡点。

机电传动控制重点内容总结概述机电传动控制的目的与任务机电系统的组成电力拖动电气控制系统机械机电传动控制的任务将电能转换为机械能实现生产机械的启动、停止以及速度的调节完成各种生产工艺过程的要求保证生产过程的正常进行机电传动控制的目的第二章机电传动系统的运动学基础单轴拖动系统的运动方程式单轴拖动系统的运动方程式TM TL J d 2 dn J dt 60 dt 转动惯量和飞轮转矩的折算几种常见的负载特性恒转矩负载，离心式通风机型负载，直线型负载恒功率负载机电系统稳定运行的条件和判定方法第三章直流电机的工作原理及特性直流电机的基本结构和工作原理基本结构定子转子换向器工作原理发电机原理电动机原理电动势的大小和方向电磁转矩的大小和方向E K e nTM K m I a 直流他励电动机的机械特性机械特性的一般形式Ra U n Ia K e K e Ra U n T 2 K e K e K M 固有机械特性人为机械特性Ra U n T 2 K e K e K MU E I a RaP T 9.55 n PE K e n TM K m I a直流他励电动机的启动特性电动机固有的启动特性启动电流大启动转矩大启动方法电枢串电阻启动的方法启动电阻的选择直流他励电动机的调速特性调速方法特点电枢串电阻恒转矩调速特性电枢外加电压恒功率调速特性励磁磁通直流他励电动机的制动特性反馈制动产生的原因、制动过程与特点反接制动产生的原因、制动过程与特点能耗制动作用与特点第四章过渡过程过渡过程分析机电时间常数加快过渡过程的方法第五章交流电动机的工作原理及特性三相交流电动机的基本结构和工作原理基本结构定子转子工作原理旋转磁场的旋转速度旋转磁场的旋转方向转子的旋转速度三相交流电动机的额定参数定子绕组的连接方法额定参数连接方法的选用60 f n0 pn0 n S n0三相交流电动机的转矩特性与机械特性60 f n0 p S R2 n0 nm m X n0 20 U2 Tmax K 2 X 20 R2U 2 Tst K 2 2 R2 X 20 T max TN K 1 / f , X f 20三相交流电动机的启动、制动和调速特性固有启动特性启动方法调速方法与特点制动方法与特性单相交流电动机结构特点启动方法同步交流电动机结构特点特性启动方法第六章控制电机交直流伺服电机的工作原理如何消除自传现象第八章继电器接触器控制系统常用电器工作原理与使用场合接触器热继电器电流继电器电压继电器熔断器基本电路的分析与设计按钮、行程开关等继电器接触器电路的组成常用电动机控制电路按时间原则控制的电路按行程原则控制的电路按电流原则控制的电路按速度原则控制的电路各种保护第十三章步进电动机控制系统步进电动机的结构与工作原理齿数、相数通电方式步距角主要特性第十四章电机的选择电机容量的选择原则电机的发热和冷却不同工作制下电机容量的选择等效功率，力矩的折算电机种类，电压，转速，结构的选择。

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。

第一章概述了解机电传动控制系统的发展概况。

第二章机电传动系统的动力学基础【重点内容】运动方程式及其含义；多轴拖动系统中转矩折算；机电传动系统稳定运行的条件;分析系统的稳定平衡点.【难点】机电传动系统稳定运行的条件；分析系统的稳定平衡点.第三章直流电机的工作原理及特性【重点内容】直流电动机的机械特性；启动,调速,制动的各种方法；启动，调速,制动的各种方法的优缺点和应用场所。

【难点】启动，调速,制动的各种方法。

第四章机电传动系统的过渡过程【基本内容】在了解过渡过程产生的原因和研究过渡过程的实际意义的基础上,掌握机电传动系统在启动，制动过程中转速，转矩和电流的变化规律，掌握机电时间常数的物理意义以及缩短过渡过程的途径.【重点内容】掌握机电时间常数的物理意义以及缩短过渡过程的途径.第五章交流电动机的工作原理及特性【重点内容】1.异步电动机的工作原理，基本结构，旋转磁场的产生;2。

异步电动机的机械特性;3.异步电动机的启动，调速和制动的方法（与直流电动机进行比较）；4。

学会用机械特性的四个象限来分析异步电动机的运行状态;5。

掌握单相异步电动机的启动方法和工作原理;6。

了解同步电动机的结构特点，工作原理,运行特性及启动方法;7。

掌握各种异步电动机和同步电动机的使用场所.【难点】异步电动机的旋转磁场的产生；分析异步电动机的运行状态;异步电动机的启动,调速和制动的方法.第六章控制电机了解机电传动控制系统中一些常用的控制电机种类，名称，结构等。

【重点内容】掌握各种控制电机的基本工作原理,主要运行特性及特点.第七章机电传动控制系统中电动机的选择【一般要求】在了解电动机的发热与冷却规律的基础上,重点掌握电动机容量的选择,并熟悉电动机的种类,电压,转速和结构型式的选择原则.【重点内容】重点掌握电动机容量的选择原则及方法，可以通过统计法或类比法进行选择.第八章继电器—接触器控制系统【一般要求】在熟悉各种控制电器的工作原理，作用,特点表示符号和应用场所的基础上,着重掌握继电器—接触器控制线路中基本控制环节的构成和工作原理，学会分析较复杂的控制线路,并通过训练学会设计一些较简单控制线路.【重点内容】结合书中内容及附录1，附录2，掌握各电器符号及标准;掌握基本线路的分析设计,提高改错能力；掌握机床启动,正反转,制动，保护等主电路及控制线路的设计.第九章可编程序控制器【一般要求】在了解可编程序控制器的基本组成，工作原理，特点和用途的基础上，重点掌握F 系列中小型可编程序控制器的指令系统和编程方法以及应用实例。