. 思考题与习题
1．步进电动机是数字控制系统中的一种执行元件，其功用是将________变换为相应的角位移或直线位移。（ ）
A．直流电信号 B.交流电信号 C. 计算机信号 D.脉冲电信号 2. 在步进电机的步距角一定的情况下，步进电机的转速与__ __成正比。 3．步进电动机与一般旋转电动机有什么不同？步进电动机有哪几种?
4．试以三相单三拍反应式步进电动机为例说明步进电动机的工作原理．为什么步进电动机有两种步距角？
5. 步进电动机常用于_________系统中作执行元件，以有利于简化控制系统。（ ）
A.高精度 B.高速度 C.开环 D.闭环
6. 步进电动机的角位移量或线位移量与输入脉冲数成_ _。 7. 步进电动机的输出特性是( )
A.输出电压与转速成正比
B.输出电压与转角成正比
C.转速与脉冲量成正比 D.转速与脉冲频率成正比 8、如何控制步进电动机输出的角位移、转速或线速度？
9、反应式步进电动机与永磁式及感应式步进电动机在作用原理方面有什么共同点和差异？步进电动机与同步电动机有什么共同点和差异？
10、一台反应式步进电动机步距角为0.9o/1.8o，问（1）这是什么意思？（2）转子齿数是多少？
11．采用双拍制的步进电动机步距角与采用单拍制相比（ ）
A．减小一半 B.相同 C.增大一半 D.增大一倍 12. 有一四相八极反应式步进电机，其技术数据中有步距角为1.8°/0.9°，则该电机转子齿数为（ ）
A.75
B.100
C.50 D.不能确定
13．一台三相反应式步进电动机，采用三相六拍运行方式，在脉冲频率f为400Hz时，其转速n为100r/min，试计算其转子齿数ZR和步距角θb。若脉冲频率不变，采用三相三拍运行方式，其转速n1和步距角θb1又为多少？
14. 一台三相反应式步进电动机，其转子齿数ZR为40，分配方式为三相六拍，脉冲频率f为600Hz，要求：
（1）写出步进电动机顺时针和逆时针旋转时各相绕组的通电顺序； （2）求步进电动机的步距角θb； （3）求步进电动机的转速n。 15. 有一脉冲电源，通过环形分配器将脉冲分配给五相十拍通电的步进电机定子绕组，测得步进电机的转速为100rpm，已知转子有24个齿。（5分）
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. 求：(1)步进电机的步距角θ (2)脉冲电源的频率f
16．有一台三相反应式步进电机，按A—AB—B—BC—C—CA方式通电，转子齿数为80
个，如控制脉冲的频率为800Hz，求该电机的步距角和转速。(6分)
17. 为什么步进电机的脉冲分配方式应尽可能采用多相通电的双拍制? 18、步进电机带载时的启动频率与空载时相比有什么变化？ 19、步进电动机连续运行频率和启动频率相比有什么不同？
20、步进电动机在什么情况下会发生失步？什么情况下会发生振荡？
21、设计一个完整的三相步进电动机的驱动电路，并设计一套单片机的控制程序，包括调速（启动、加速、恒速、减速）及正反转过程。
答案
1、D
2、脉冲频率
3．答：步进电动机一种可由电脉冲控制运动的特殊电动机，可以通过脉冲信号转换控制的方法将脉冲电信号变换成相应的角位移或线位移。与一般旋转电动机相比，步进电动机不能直接使用通常的直流或交流电源来驱动，而是需要使用专门的步进电动机驱动器。 步进电动机按转矩产生的原理分为
a.反应式步进电动机。
b.激磁式步进电动机。这类步进电动机又分为电磁式与永磁式； c.混合式步进电动机。同时混合使用前两种方式。
4．答：三相单三拍磁阻式步进电动机的结构如图6.3a所示：其定子铁心上有六个形状相同的大齿，相邻两个大齿之间的夹角为60o。每个大齿上都套有一个线圈，径向相对的两个线圈串联起来成为—相绕组。六个电极共构成三相绕组，即相对的UU、WW、VV齿极分别缠有两个相互串联的线圈从而构成三相绕组。转子有两个磁极。绕组电路原理如图6.3b所示。这种形式的步进电动机即是三相步进电动机。对三相步进电动机来说，当某一相的磁极处于最大磁导位置时，另外两相必处于非最大磁导位置（如图6.2b所示即定子与转子小齿不对齐的位置）。
，当定子绕组通电及换相时，将会产生使转子转动的力矩并使转子转动。根据通电及换相的方法的不同，可以有以下几种转动方式：
1）通电方式为U—V—W—U…的顺序轮流供电且一相通电、两相断电的方式。此时步进电动机每换一次通电方式，转子按顺时针方向转过60o。如果按U—W—V—U…顺序轮流供电，则步进电动机逆时针转动。称这种方式为“三相三位”或“单三拍”分配方式。
2）通电方式为U—UV—V—VW—W—WU—U…(或反顺序)，则称为“三相六位”或“三相六拍”。此时，步进电动机每步为30o，步距角减小一半。
3）如果通电方式为UV—VW—WU—UV…，则称为‘双三伯”，步距角仍为60o。 从上可知当通电换向的方式不同，步进机电动机可以有两种步距角。 5、C 6、正比
7、D
8、答：步进电动机的运动是受走步脉冲信号控制的，它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比，所以电机的线速度或转速与脉冲频率成正比。通过改变脉冲频率的高低，就可以
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. 在很大的范围内调节电机的转速，并能实现快速启动、制动和反转。
9、答：同步电机在同步转动时由定子线圈通过电流产生的磁场吸引转子形成转动所需的作用力，磁场的旋转带动转子的运动，属可变磁阻电动机，在这一方面，与步进电动机是相同的。不同之处是控制方式上步进电机应归属于他控式，通常采用开环控制，无转子位置反馈。多用于伺服控制系统，对步距精度要求很高，对效率指标要求不严格，只作电动状态运行。而开关磁阻电动机则归属于自控式，即在转动时电流的换向要与转子的转动速度相匹配，利用转子位置反馈信号运行于自同步状态，相绕组电流导通时刻与转子位置有严格的对应关系,并且绕组电流波形的前后沿可以分别独立控制，即电流脉冲宽度可以任意调节。多用于功率驱动系统，对效率指标要求很高，并可运行于发电状态。在应用上步进电机基本上都用作控制电机而开关磁阻电机则主要是拖动用电机。
10、答：当以单相通电交替换向的方式驱动时(即整步工作时)，步距角是1.8o，当采用一相通电，两相通电间隔交替驱动方式时(即半步工作时)，步距角是0.9o。
3600根据??可得，当K=1 及 K=2时的步距角?分别是1.8o/0.9o，设步进电机的相数为
mQK3600m, 则可得转子齿数 Q?。
m?K11、A
12、C
13、解：三相六拍运行
因为n=60*f/N/ZR，所以ZR=60*f/N/n=60*400/(2*3)/100=40； θb=360°/N/ZR=360°/(2*3)/40=1.5°； 三相三拍运行
n1=60*f/N/ZR=60*400/3/40=200（r/min）； θb1=360°/N/ZR=360°/3/40=3°。 14、解：（2）θb=360°/N/ZR=360°/(2*3)/40=1.5°； （3）n=60*f/N/ZR=60*600/(2*3)/40=150（r/min） 15、 解：（1）θ=360°/N/ZR=360°/(2*5)/24=1.5°
（2）因为n=60*f/N/ZR，所以f=n*N*ZR/60=100*(2*5)*24/60=400(Hz) 16、解：θb=360°/N/ZR=360°/(2*3)/80=0.75°
n=60*f/N/ZR=60*800/(2*3)/80=100（r/min）
17. 答：使用多相通电的双拍制时可以在任何时刻都至少有一相绕组有电流通过，可以减少转动时的振动，减小步进的角度，增加控制精度，并保持定子对转子的引力不间断。三相步进电动机两相运行和单相运行的特性不变。其合成的电磁转矩的幅值Tm仍不变，只是相位落后60电角度。但对于更多相的步进电动机，其多相通电时合成的电磁转矩的幅值可以大于单相时的合成转矩，从而可以提高步进电动机的最大转矩。
18.答：由于转动力矩大小有一定范围，其起动加速度也会在一定范围内，过高的起动频率会使转子的转动速度跟不上输入脉冲控制要求的转动速度，从而导致转子转动落后于定子磁场的转速，这种情况称为步进电动机的失步。失步可能导致步进电动机不能起动或堵转。电机的启动频率是步进电动机不失步起动的最高频率。当负载惯量一定时，随着负载的增加，起动频率要下降。随着起动频率增加，转距下降较慢的是起动频矩特性较好的步进电动机。
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. 19、答：步进电动机的最高起动频率(突跳频率)一般为几百Hz到三四千Hz，而最高运行频率则可以达到几万Hz。以超过最高起动频率的频率直接起动，将出现“失步”(失去同步)现象，有时根本就转不起来。而如果先以低于最高起动频率的某一频率起动，再逐步提高频率，使电机逐步加速．则可以到达最高运行频率。 20、答：步进电动机起动频率不能过高，当起动频率过高时，由于转动力矩大小有一定范围，其起动加速度也会在一定范围内，过高的起动频率会使转子的转动速度跟不上输入脉冲控制要求的转动速度，从而导致转子转动落后于定子磁场的转速，这种情况称为步进电动机的失步。
当步进电动机的控制脉冲等于或接近步进电动机的振荡频率的1/k（k = 1，2，3…）倍时，电机就会出现强烈的振荡现象，甚至出现失步或无法工作，这种现象就是低频共振和低频失步现象。
低频失步的原因是转子在步进运动时，由于惯性会在一个步进脉冲到来达到新的位置之后在平衡位置来回摆动，如果步进脉冲的频率恰好符合前述条件，则就会出现振荡。为了消除这种低频振荡，可以采用的方法除了不允许电机在振荡频率下工作外，还可以通过增加系统阻尼，限制振荡的幅度的方法来减弱振荡的幅度。
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第6章思考题与习题答案
