一、实验目的

（1）了解步进电动机的工作原理。

（2）通过实验，加深对步进电动机的驱动电源和电动机工作情况的了解。

（3）掌握步进电动机基本特性的测定方法。

二、实验仪器

实验仪器如表10-1所示。

表10-1　实验仪器

三、知识学习及操作步骤

1.步进电动机的认识

随着控制技术的发展，所以特种电动机的应用越来越广，特别是步进电动机，被广泛用于数字控制系统中，如数控机床、自动记录仪表、数-模变换装置、线切割机等。在认识步进电动机结构的基础上分析其工作原理、通电方式及应用范围等。

步进电动机是将电脉冲信号转换成角位移和线位移的执行元件。每输入一个电脉冲，电动机就移动一步，因此，也称为脉冲式同步电动机。

步进电动机可分为反应式、永磁式和感应式几种。下面以常用的反应式步进电动机为例进行分析。

1）反应式步进电动机的结构和工作原理

反应式步进电动机的定子为硅钢片叠成的凸极式，极身上套有控制绕组。定子相数m可以是2、3、4、5、6相，每相有一对磁极，分别位于内圆直径的两端。转子为软磁材料的叠片叠成。转子外圆为凸出的齿状，均匀分布在转子外圆四周，转子中并无绕组。

图10.1是三相反应式步进电动机的外观和剖面图。图10.2是一台三相六极反应式步进电动机模型，定子磁极分别是AA′、BB′、CC′。转子上没有控制绕组，只由4个凸齿构成。

图10.1　三相反应式步进电动机的外观和剖面图

工作时，步进电动机的控制绕组不直接接到单相或三相的正弦交流电源上，也不能简单地和直流电源接通。它受电脉冲信号的控制，使用一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大后，使控制绕组按规定顺序轮流接通直流电源。例如，当U相绕组与直流电源接通时，在U相磁极建立磁场，由于转子力图以磁路磁导最大的方向来取向，即让转子1、3齿与定子U相磁极齿对齐，使定子磁场的磁力线收缩为最短。这时如果断开U相绕组而使V相绕组与直流电源接通，那么转子便按逆时针方向转过30°，即让转子2、4齿与定子V相磁极齿对齐。依此类推，靠电子开关按U—V—W—U顺序接通各相控制绕组，转子就会步进地转起来，所以称为步进电动机。我们将转子每次转过的角度称为步距角，用θb表示。

图10.2　三相反应式步进电动机原理图

图10.3　步进电动机工作示意图

2）反应式步进电动机的通电方式——拍

“拍”，指通电方式每改变一次，即为一拍。例如，三拍就是通电方式在循序变化周内改变了三次。“单”指每次只有一相通。上面例子的通电顺序为U—V—W—U，称为三相单三拍。如果每次有两相通电，则称为“双”。例如，三相双三拍的通电方式为UV—VW—WU—UV。若将通电方式改为U—UV—V—VW—W—WU—U，则称为三相六拍。不难理解，转子每一拍所转动的步距角θb除与转子齿数Zr有关外，还与通电的拍数N有关。以机械角度表示为

3）反应式步进电动机的拖动

由上式可知，转子每转动一个步距角θb，即转动了周。因此，步进电动机的转速n（r/min）为

式中，f为控制电脉冲频率Hz。

（1）调速。由式θb=可知，改变控制电脉冲频率f，即可实现无级调速。

（2）反转。改变通电相序，即可实现反转。例如上述的三相六拍，通电方式改为U—UW—W—WV—V—VU—U，电动机即反转。

（3）停车自锁。将控制电脉冲停止输入，并让最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电，则可使电动机保持在固定位置上。

4）步进电动机的应用范围

（1）应用在电子计算机外围设备中，主要应用在光电阅读机、软盘驱动系统中。

（2）应用在数字程序控制机床的控制系统中。

（3）应用在点位控制的闭环控制系统中，主要用在数控机床上，为了及时掌握工作台实际运行情况，系统中装有位置检测反馈装置。

2.步进电动机组件的使用说明及实验操作步骤

图10.4所示为基本实验电路的外部接线。

图10.4　步进电动机实验接线图

1）单步运行状态

接通电源，将控制系统设置为单步运行状态，或复位后，按执行键，步进电动机走一步距角，绕组相应的发光管发亮；再不断按执行键，步进电动机转子也不断作步进运动。改变电动机转向，电动机作反向步进运动。

2）角位移和脉冲数的关系

控制系统接通电源，设置好预置步数，按执行键，电动机运转，观察并记录电动机偏转角度；再重新设置另一置数值，按执行键，观察并记录电动机偏转角度于表10-2、表10-3中，并利用公式计算电机偏转角度与实际值是否一致。

步数=________步

表10-2　实验数据表

步数=________步

表10-3　实验数据表

3）空载突跳频率的测定(www.daowen.com)

控制系统设置为连续运行状态，按执行键，电动机连续运转后，调节速度调节旋钮，使频率提高至某频率（自动指示当前频率）。按设置键让步进电动机停转，再重新起动电动机（按执行键），观察电动机能否运行正常。如正常，则继续提高频率，直至电动机不失步起动的最高频率，则该频率为步进电动机的空载突跳频率，记为________Hz。

4）空载最高连续工作频率的测定

步进电动机空载连续运转后，缓慢调节速度调节旋钮，使频率提高，仔细观察电动机是否不失步。如不失步，则再缓慢提高频率，直至电动机能连续运转的最高频率，则该频率为步进电动机空载最高连续工作频率，记为________Hz。

5）转子振荡状态的观察

步进电动机空载连续运转后，调节并降低脉冲频率，直至步进电动机声音异常或出现电动机转子来回偏摆即为步进电动机的振荡状态。

6）定子绕组中电流和频率的关系

在步进电动机电源的输出端串接一只直流电流表（注意+、-端），使步进电动机连续运转，由低到高逐渐改变步进电动机的频率，读取并记录5～6组电流表的平均值、频率值于表10-4中，观察示波器波形，并作好记录。

表10-4　实验数据表

7）平均转速和脉冲频率的关系

接通电源，将控制系统设置为连续运行状态，再按执行键，电动机连续运转，改变速度调节旋钮，测量频率f与对应的转速n，即n=f（f）。记录5～6组数据于表10-5中。

表10-5　实验数据表

8）矩频特性的测定

置步进电动机为逆时针转向，连接涡流测功机，控制电路工作于连续方式，设定频率后，使步进电动机起动运转，调节涡流测功机施加制动力矩，仔细测定对应设定频率的最大输出动态力矩（电机失步前的力矩）。改变频率，重复上述过程得到一组与频率f对应的转矩T值，即为步进电动机的矩频特性T=f（f）。将实验数据记录于表10-6中。

表10-6　实验数据表

9）静力矩特性T=f（I）

关闭电源，控制电路工作于单步运行状态，将屏上的两只90Ω电阻单独并接后再并接（阻值为45Ω，电流为2.6A），把可调电阻及一只5A直流电流表串入A相绕组回路（注意+、-端），并使涡流测功机堵转。

接通电源，使A相绕组通过电流，缓慢旋转手柄，读取并记录弹簧秤的最大值，即为对应电流I的最大静力矩Tmax值（Tmax=F·），改变可调电阻，并使阻值逐渐增大，重复上述过程，可得到一组电流I值及对应I值的最大静力矩Tmax值，即为Tmax=f（I）静力矩特性。取4～5组数据记录于表10-7中。

表10-7　实验数据表

四、实验内容及要求

（1）检查各电器元件的质量情况，了解其使用方法。

（2）按步骤连接电路。

（3）用万用表检查所连线路是否正确，自行检查无误后，经指导教师检查认可后合闸通电试验。

（4）操作电动机和观察电动机的起动工作情况。

（5）观察电动机工作时的波形变化情况。

五、思考题

经过上述实验后，须根据照实验内容写出数据总结，并对电动机实验加以小结。

1.步进电动机驱动系统各部分的功能和波形实验

（1）方波发生器。

（2）状态选择。

（3）各相绕组间的电流关系。

2.步进电动机的特性

（1）单步运行状态：步矩角。

（2）角位移和脉冲数（步数）关系。

（3）空载突跳频率。

（4）空载最高连续工作频率。

（5）绕组电流的平均值与频率之间的关系。

（6）平均转速和脉冲频率的特性n=f（f）。

（7）矩频特性T=f（f）。

（8）最大静力矩特性Tmax=f（I）。

六、实验报告要求

（1）回答思考题。

（2）记录实验中发现的问题、错误、故障及解决方法。

（3）总结实验结论。

（4）有一台三相反应式步进电动机，采用三相六拍分配方式，转子齿数为80个，如控制脉冲的频率为800Hz。

①写出一个循环的通电顺序；

②求该步进电动机的步距角；

③求该步进电动机的转速。