步进电机介绍汇编

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1、 步进电机 4.1 简简介 步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并 将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机 。 主要优点：步距角和转速不受电压波动和负载变化 的影响，仅与脉冲频率有关。它每转一周都有固定的步 数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累 ，从而使它适合于在数字控制的开环系统中作为驱动电 动机，也可用作闭环系统的驱动元件。 主要缺点：效率较低，需配适当的驱动电源，带惯 性负载的能力不强。 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 种类： 励 磁 方 式 磁阻式(反应式) 永磁式 混合式 运 行 方 式 旋转型 直线型 平面型 系统构成： 步进 电

2、机 脉冲分配器脉冲放大器 脉冲信 号输入 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 4.2 反应式步进电动机的结构与工作原 理 一、反应式步进电动机的结构 单段式 多段式 a)径向磁路 b)轴向磁路 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 径向磁路 1线圈；2定子；3转子 轴向磁路 1线圈；2定子；3磁轭 4转子；5引出线 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 二、工作原理 三相反应式步进电动机有三种运行方式： 三相单三拍运行； 三相双三拍运行； 三相单、双六拍运行 “三相” 指步进电机的相数； “单” 指每次只给一相绕组通电；“双”

3、则是每 次同时给二相绕组通电； “三拍”指通电三次完成一个循环 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 A相导通B相导通 1. 三相单三拍运行方式 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 C相导通A相导通 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 按A-B-C-A的顺序通电，电机转子在磁阻转矩作 用下沿ABC方向转动，电机的转速直接取决于控制绕组 的换接频率。 定子控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍， 此时电机转子所转过的空间角度称为步距角。 齿距角： 步距角： 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 2. 三相双

4、三拍运行方式 按AB-BC-CA-AB或相反的顺序通电，每次同 时给两相绕组通电，且三次换接为一个循环。步距角 与三相单三拍运行方式的步距角相同。 AB相导通BC相导通 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 3. 三相单、双六拍运行方式 按A-AB-B-BC-C-CA或相反顺序通电，即需要六拍才 完成一个循环，因此步距角为： A相导通 B相导通AB相导通 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 对于其它相数的步进电动机，同样可以有多种 运行方式，例如四相步进电动机有：四相单四拍，四 相双四拍，四相单双八拍等运行方式。 一般而言，无论几相电机以及采用何种

5、运行方 式，步距角与转子齿数Zr和拍数N之间有如下关系： (机械角度) 此处，m为控制绕组相数，C为状态系数，单三、双三拍时 ，C=1；单双六拍时C=2。 如果连续不断地输入脉冲，则电机转子就连续旋转， 其转速与脉冲频率有关。每输入一个脉冲，转子转过： 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 每秒钟输入f 脉冲，则转过 f/ZrN 转，故电机转速 为： rpm 4. 小步距角磁阻式步进电机 转子上有均匀分布的40个齿. 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 小步距角步进电动机中的转子齿数，必须满足 一定的要求，才能保证电机产生步进运动。 当A相极面下的

6、定、转子齿对齐时，B和C极面下的齿就分别 和转子齿相错三分之一的转子齿，即3度。 转子齿数应符合： 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 4.3 反应式步进电动机运行特性 一、静态特性 静态运行是指通电状态不变，电机处于 稳定状态时的特性。 静特性 静转矩 矩角特性 静态稳定区 需要清楚的几个名称： (1)初始稳定平衡位置：指步进电动机在空载情况下，控制 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 绕组中通以直流电流时，转子的最后稳定位置; (2)失调角q：指步进电动机转子偏离初始平衡位置的 电角度。在反应式步进电动机中，转子一个齿距所对应 的度数为2p电

7、弧度或360o电角度； (3)矩角特性：在不改变通电状态(即控制绕组电流不 变)时，步进电动机的静转矩与转子失调角的关系，即 T=f(q) =0, T=0; 0, T0 ; 0; =, T=0 定子 转子 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 当只有一相绕组通电时，储存在电机气 隙中的磁场能量为 磁导变化曲线 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 步进电动机的矩角特性 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 (4)静态稳态区：在空载时，稳定平衡位 置对应于q=0处，而q=180度则为不 稳定平衡位置。在静态情况下，如受 外力矩的作

8、用使转子偏离稳定平衡位 置，但没有超出相邻的不稳定平衡点 ，则当外力矩除去以后，电动机转子 在静态转矩作用下仍能回到原来的稳 定平衡点，所以二个不稳定平衡点之 间的区域构成静态稳定区。 (5)最大静转矩：Tmax=f(I) 最大静转矩特性 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 六拍时的矩角特性族 三拍时的矩角特性族 (6) 矩角特性族 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 二、动态特性 1. 单脉冲运行当加上一个控制脉冲信 号，矩角特性将转移到 矩角特性族中的下一条 矩角特性曲线，转子将 转到新的稳定平衡位置 o1。在改变通电状态时 ，只有当转子起始

9、位置 位于ab之间才能使它向 o1点运动。因此称区间 ab为电动机空载时的动 态稳定区。 动态稳定区 静态稳定区 C 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 动态稳定区：(-p+qse)q(p+qse) a点与o0点之间的夹角qr称为稳定裕度(或裕量角)。裕 量角越大，电动机运行越稳定。 由上式可见，C=1时，反应式步进电动机的相数最少为3。 电动机的相数越多，步距角越小，相应的稳定裕度越大， 运行的稳定性也越好。 最大负载转矩(又称起动转矩)： 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 TL1Tst 新矩角特性上对应点的转矩小于 负载转矩，转子不能到达新

10、的稳 定平衡点o”1，而是向q减小的方 向运动，因此不能作步进运动。 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 由此可知，步进电动机能带的最大负载转矩要比最大 静转矩Tmax小。只有当负载转矩小于起动转矩(最大负载 转矩)Tst，才能保证电动机进行正常的步进运动。 若矩角特性为幅值相等的正弦波时，可得： 当C=1时，m 最小为3；m越大，起动转矩越大；C越大，起 动转矩越大。 转子振荡过程： 以上分析时认为，切换控制绕组时，转子单调地趋向新的平 衡位置，但实际上要经过一个衰减的振荡过程。 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 为减小振荡幅度和时间，可 增

11、加阻尼： 机械阻尼：增加电机转子的 干摩擦阻力或增加粘性阻力 。缺点：增大了惯性，快速 性能变坏，体积增大。 电气阻尼：多相激磁阻尼、 延迟断开阻尼。优点：方法 简单，效果好。 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 当负载转矩为零，且不计阻尼作用时，用外力使转子 偏离稳 定平衡位置一个小角度，然后释放，则转子将在 电磁转矩作用下向稳定位置运动，形成一个自由振荡， 其运动方程为： 解为： 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 2. 连续脉冲运行 极低频-连续步进运行 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 脉冲频率很低时的低 频共振

12、 频率介于极低频 与高频之间，此时脉冲间 隔较长，电动机起动和运 行一般不会有问题。但是 ，如果等于或接近于步进 电动机的振荡频率时，电 动机就会出现低频共振。 A相通电，OAdOB eOBd，此时第二个 脉冲到来，通电绕组由B 相换为C相，工作点由d 移到f，由于转矩为负， 转子返向转动向OC移动 。 低频共振现象 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 脉冲频率很高时的连续 运行 当控制脉冲的频率 很高时，脉冲间隔的时间 很短，电机转子尚未到达 第一次振荡的幅值，甚至 还没有到达新的稳定平衡 位置，下一个脉冲就到来 。此时电机的运行已由步 进变成了连续平滑的转动 ，转速

13、也比较稳定。 当频率太高时，也 会产生失步，甚至还会产 生高频振荡。 连续运行状态 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 起动频率和起动特性 fst 是指一定负载转矩下能够不失步地起动的脉冲 最高频率，它的大小与电动机本身参数、负载转矩及转 动惯量的大小，以及电源条件等因素有关。它是步进电 动机的一项重要技术指标。 fst=f(TL) 起动矩频特性 fst=f(J) 起动惯频特性 连续运行频率与运行矩频特性 步进电动机带一定负载正常起动后，连续缓慢地 升高脉冲频率，直到不丢步运行的最高频率，称为运行 频率。 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 起动

14、 连续运行 矩频特性起动惯频特性 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 那么，为什么频率升高后电机的转矩会下降 呢？ 因为，控制绕组呈电感性，它具有延缓电流 变化的作用。 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 4.4 其他型式步进电机 1. 永磁式步进电动机 定子为两相(或多相)绕组 ； 转子为星形永久磁钢； 转子极数应与定子每相极 数相同。 极对数p=2 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 二相单四拍：定子绕组按AB(-A)(-B) A的次序通电，转子将顺时针方向转过45。步 距角为： 二相双四拍：定子绕组按ABB(-A)(

15、-A)(-B)(-B)A AB的次序通电，转子将顺时针方向转过45。 永磁式步进电动机的特点是：步距角大，启动和运行 频率低，需正负脉冲供电 ；但所需控制功率小，效率 高。 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 2. 混合式步进电动机（永磁感应子式） 定子结构与反应式步进电动机相同。 转子由环形磁钢和两段铁芯组成，环形磁钢在转子中部，轴 向充磁，两段铁芯分别装在磁钢的两端。 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 气隙上有两个磁动势：一个永磁磁动势，一 个是控制绕组通电产生的磁动势。它们有时相 加，有时相减。故称为混合式。 运行原理 (1) 定子A相绕组通电时，在电磁转矩作用下转子 处于稳定平衡位置，如下图（a)所示。 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 (2)若使转子偏离稳定平衡位置，如下图(b)所示，转 子向右偏离了一个角度，在不同端、不同极的转矩作用 方向是相同的，都是使转子回到稳定平衡位置的方向。 4.步进电机 普通高等教育“十一五”国家级规级规 划教 材 （a) (b) 4.5 步进电动进电动 机的驱动电驱动电 源 一、对驱动电源的基本要求 驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都 要满足步进