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1、步进电机 4 1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 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 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 二 工作
2、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 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 1 三相单三拍运行方式 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 2 三相双三拍运行方式按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
3、BC相导通 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 AB相导通 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 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
4、磁阻式步进电机转子上有均匀分布的40个齿 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 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 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电弧度或360o
5、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 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 步进电动机的矩角特性 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 六拍时的矩角特性族 三拍时的矩角特性族 6 矩角特性族
6、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 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 TL1 Tst因新的矩角特性曲线上对应点的电磁转矩大于负载转矩 使转子加速并向q增
7、大的方向运动 最终到达新的稳定平衡点o 1 TL2 Tst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 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 为减小振荡幅度和时间 可增加阻尼 机械阻尼 增加电机转子的干摩擦
8、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 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 2 连续脉冲运行极低频 连续步进运行 脉冲频率很低时的低频共振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 OA d OB e OB d 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
9、转矩为负 转子返向转动向O C移动 低频共振现象 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 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
10、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 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 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 二相单四拍 定子绕组按A B 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AB B A 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 2 混
11、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 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 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 a b 4 5步进电动机的驱动电源一 对驱动电源的基本要求驱动电源的相数 通电方式和电压 电流都要满足步进电
12、动机的要求 要满足步进电动机起动频率和连续运行频率的要求 能最大限度地抑制步进电动机的振荡 工作可靠 抗干扰能力强 成本低 效率高 安装维护方便 二 驱动电源组成 变频信号源 是一个脉冲频率由几赫到几十千赫可连续变化的信号发生器 可以是计算机或振荡器 脉冲分配器 一种逻辑电路 由双稳态触发器和门电路组成 它可能将输入的电脉冲信号根据需要循环地分配到脉冲放大器进行功率放大 并使步进电动机按选定的运行方式工作 三相单三拍脉冲分配器 JK触发器真值表 三相单 双六拍单转向脉冲分配器 功率驱动电路单极性驱动 反应式步进电动机 单一电压型功率放大电路 优点 线路简单 功率元件少 成本低 缺点 Rf1上要
13、消耗能量 工作效率低 只适用于小功率步进电动机 如果电容C选择不当 在低频段会使振荡有所增加 使低频性能变差 高 低电压切换型功率放大电路 优点 电源功耗比较小 效率比较高 矩频特性好 启动和运行频率得到了很大的提高 主要缺点 低频运行时输入能量过大 造成电机低频振荡加重 增大了电源的容量 对功率管性能参数的要求高 常用于大功率步进电动机的驱动 电流斩波驱动放大电路 调频调压驱动方式 a 低频 b 高频 细分驱动放大电路 细分电流波形 电流的每个阶梯 电机转动一步 步距角减小了很多 先放大后合成 先合成后放大 双极性驱动 永磁式和混合式步进电动机 正负电源供电 单一电源供电 由于双极性驱动电路较为复杂 过去仅用于大功率步进电动机机 但近年来出现了集成化的双极性驱动芯片 使它能方便应用于对效率和体积要求较高的产品中 如 L298双H桥驱动器 由专用芯片构成的双极性恒流斩波驱动电路 4 6步进电动机控制与应用一 步进电动机的控制 开环控制 闭环控制 二 步进电动机的应用用于数字程序控制系统 数控铣床工作原理示意图
