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1、-1-,第七章 步进电动机,控制电机,第一节 步进电动机的基本结构,第二节 步进电动机的工作原理,第三节 步进电动机的运行特性,第四节 步进电动机的驱动控制*,第五节 步进电动机的选用,-2-,步进电动机是一种把电脉冲信号转换成机械角位移的控制电机，常作为数字控制系统中的执行元件。由于其输入信号是脉冲电压，输出角位移是断续的，即每输入一个电脉冲信号，转子就前进一步，因此叫做步进电动机，也称为脉冲电动机。 步进电动机的主要特点是： (1) 转速和步距值不受电压波动、负载变化和温度变化等的影响，只与脉冲频率同步，转子运动的总位移量只取决于总的脉冲信号数。,第七章 步进电动机,-3-,(2) 开环控
2、制，无需反馈，系统结构大为简化，工作更加可靠，维护更加方便，在一般定位驱动装置中具有足够高的精度。 (3) 控制性能好，可以在很宽的范围内通过改变脉冲的频率来调节电机的转速，起动、制动、反向及其他任何运行方式的改变，都在少数脉冲内完成。 (4) 误差不积累。步进电动机每走一步所转过的角度与理论值之间总有一定的误差，但它每转一圈都有固定的步数，所以在不失步的情况下，其步距误差是不会积累的。,第七章 步进电动机,-5-,第七章 步进电动机,定子齿极的极对数就等于定子绕组的相数,-6-,步进电动机不同于普通的交、直流电动机，它必须与驱动控制器、直流电源组成系统方能正常运行，如图7-2所示。在实际系统
3、中，步进电动机和驱动控制器是两个不可分割的组成部分，这是因为给步进电动机定子控制绕组所加的电源既不是正弦交流，也不是恒定直流，而是脉冲电压。,第七章 步进电动机,-7-,第二节 步进电动机的工作原理 一、通电方式的分析 1. 三相单三拍通电方式,第七章 步进电动机,-8-,2. 三相双三拍通电方式 在切换过程中总有一相绕组处于通电状态，转子齿极受到定子磁场控制，不易失步和振荡。,第七章 步进电动机,-9-,3. 三相六拍通电方式,第七章 步进电动机,-10-,二、多齿结构的分析 对于图7-3和图7-4所示的步进电动机，其步距角都太大，不能满足精密控制的要求。为了减小步距角，可以将定、转子加工成
4、多齿结构，转子上开有数目较多的齿极，而定子每个大齿极上又开有若干个小齿极，如图7-6所示。,第七章 步进电动机,-11-,第七章 步进电动机,齿距角,三相单三拍和 三相双三拍时,三相六拍时,-12-,三、步距角和转速的计算 若转子齿数为ZR，转子相邻两齿间的夹角，即齿距角为,第七章 步进电动机,（7-1）,转子每一步转过的空间角度，即步距角为,（7-2）,拍数 转子转过一个齿距需要的通电状态数,-13-,对于三相步进电动机，当通电方式为单三拍或双三拍时，N = m ；当通电方式为六拍时，N = 2m 。 可见，步进电动机的步距角和定子相数和转子齿数成反比。定子相数越多，则步距角越小，精度越高，
5、但供电电源和电机结构也越复杂。所以，一般步进电动机的相数不超过六相，而且主要是通过增加转子齿数来提高系统精度。,第七章 步进电动机,-14-,由式（7-2）可知，每输入一个电压脉冲，转子转过的角度是整个圆周角的 ，也就是转过 转。 若脉冲电源的频率为f，则转子每分钟转过的圆周数，即转子转速为,第七章 步进电动机,（7-3）,-15-,第七章 步进电动机,可见，步进电动机的转速取决于脉冲电源的频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载和温度等因素无关。当转子齿数一定时，转子转速与脉冲电源的频率成正比，即电机转速与脉冲频率同步。这样，步进电动机可以直接采用开环控制，并进行较宽范围的无级调速。,-16-,
6、第三节 步进电动机的运行特性 反应式步进电动机有静止、单步运行和连续运行三种运行状态，分别对应不同的运行特性，下面依次予以介绍。 一、步进电动机的静特性 步进电动机的静止状态是指当控制脉冲停止送入，如果某些定子绕组仍通以恒定不变的电流时，转子将固定于某一位置保持不动的情况。 步进电动机的静特性可以用静态电磁转矩Te与转子失调角e之间的关系 来描述，称为矩角特性。,第七章 步进电动机,-17-,1. 单相通电时 失调角e 是指转子偏离平衡位置的电角度，即通电相的定、转子齿中心线间用电角度表示的夹角，如图7-8所示。,第七章 步进电动机,-18-,如果将转子齿数看作转子的极对数， 电角度就等于空间
7、机械角度乘以转子齿数，即一个齿距就对应2电角度，用电角度表示的齿距角为,第七章 步进电动机,（7-4）,相应的步距角为,（7-5）,-19-,所以，当拍数一定时，无论转子齿数是多少，用电角度表示的步距角是一定值。对于三相步进电动机，通电方式为单三拍或双三拍时，步距角为2/3电角度；通电方式为六拍时，步距角为/3电角度。 通过图7-8的分析可以知道， 步进电动机的静态电磁转矩Te随失调角e作周期性的变化，变化周期是一个齿距，即2电角度。严格来说，矩角特性的形状是比较复杂的，它与气隙的长度、定转子齿的形状以及磁路饱和的程度等都有关系。对于反应式步进电动机，其矩角特性可近似为正弦函数曲线，如图7-9
8、所示。,第七章 步进电动机,-20-,第七章 步进电动机,静态电磁转矩最大值,-21-,2. 多相通电时 在磁路为线性的前提下，按照叠加原理，多相通电时的矩角特性可以近似地由每相各自通电时的矩角特性叠加而求得。下面推导三相步进电动机在两相通电时的矩角特性。 设A、B两相通电，以A相定子齿的中心轴线为基准，转子失调角为e，那么A相通电时的电磁转矩为,第七章 步进电动机,（7-7）,-22-,当B相也通电时，由于e=0时的B相定子齿轴线与转子齿轴线错开一个单拍制的步距角，即2/3电角度，所以相应的电磁转矩为,第七章 步进电动机,（7-8）,这样，当A、B两相同时通电时，合成的电磁转矩为,（7-9）
9、,-23-,对于三相步进电动机，两相通电时的最大静态转矩与单相通电时的最大静态转矩相等，也就是说，三相步进电动机不能依靠增加通电相数来提高负载能力，这是它的一个固有缺陷。,第七章 步进电动机,-24-,二、步进电动机的单步运行 步进电动机的单步运行状态是指当控制脉冲频率很低时，下一个脉冲到来之前，上一步动作已经完成，电动机一步一步地完成步进式转动的情况。,第七章 步进电动机,-25-,由上图可见，要保证电动机能够步进式转动，负载转矩不能大于相邻两拍矩角特性的交点所对应的电磁转矩，即相邻两拍矩角特性交点所对应的转矩是步进电动机单步运行时能够带动的极限负载，称为极限起动转矩（或最大负载转矩）Tst
10、，其表达式为,第七章 步进电动机,（7-10）,-26-,因为步距角 （N为运行拍数），所以上式可写为,第七章 步进电动机,（7-11）,在规定的电源条件下， 静态转矩最大值Tem是一定的，要提高步进电动机的负载能力， 应增大运行拍数N，如三相电机由单三拍或双三拍运行改为六拍运行。 如果是两相步进电动机，由于N=m=2（即两矩角特性相差电角度），Tst=0，所以反应式步进电动机的相数应满足m3，相数越多，极限起动转矩Tst就越接近静态转矩最大值，负载能力就越强。,-27-,另外，在步进电动机的单步运行过程中，转子由一个稳定平衡点A达到另一个新的稳定平衡点B的过程中，所积累的动能和惯性会使转子冲
11、过新的平衡位置，而此后Te-TL0（如图7-11所示），又使电动机减速， 进而反向运行。由于能量消耗和阻尼的结果，转子将在新的平衡位置附近作衰减的振荡。 这种振荡现象 对于步进电动机的正常运行是不利的，它影响了系统的精度，并产生一定的振动和噪声，严重时甚至可能使转子失步， 应设法增大阻尼加以削弱。,第七章 步进电动机,-28-,三、步进电动机的连续运行和动特性 随着外加脉冲频率的提高，步进电动机进入连续运行状态。 在伺服系统中，步进电动机经常做起动、制动、正转、反转和调速等动作，并在各种频率下运行。这就要求步进电动机的步数与脉冲数严格相等，既不丢步，也不越步，而且转子的转动应是平稳的。否则，步
12、进电动机系统的“步进”精度就失去了意义。因此，在伺服系统中步进电动机必须具有良好的动特性。,第七章 步进电动机,-29-,步进电动机连续运行时所产生的转矩称为动态电磁转矩，步进电动机的动特性可以用动态电磁转矩Te 与电源脉冲频率f之间的关系来描述，称为矩频特性。,第七章 步进电动机,最大连续运行频率,起动频率,-30-,第七章 步进电动机,随着电源频率的升高，步进电动机最大输出转矩要下降。,-31-,值得注意的是，在步进电动机起动时所能施加的最高频率（称为起动频率fst）比连续运行频率低得多，如图7-12中的虚线所示，这是因为在起动过程中，电动机除了要克服负载转矩TL，还要克服加速度力矩 。
13、提高步进电动机连续运行频率的途径除了提高电磁转矩的基本方法外，还包括增加电机运行的拍数、减小电机的时间常数、减小转动惯量、采用机械阻尼装置等措施。,第七章 步进电动机,-32-,第四节 步进电动机的驱动控制* 步进电动机不同于普通的控制电机，给步进电动机定子控制绕组所加的电源既不是正弦交流，也不是恒定直流，而是脉冲电压，它必须由特定的脉冲电源供电。因此，相对来说，步进电动机的控制是比较复杂的。,第七章 步进电动机,-33-,一、驱动控制器 电动机本体与其驱动控制器构成一个不可分割的有机整体，步进电动机的运行性能在很大程度上取决于所使用的驱动控制器的质量。 1. 驱动控制器的组成,第七章 步进电
14、动机,-34-,2. 对驱动控制器的要求 (1) 驱动控制器的相数、电压、电流和通电方式都要满足步进电动机的要求。 (2) 驱动控制器的频率要满足步进电动机起动频率和连续运行频率的要求。 (3) 能最大限度地抑制步进电动机的振荡，提高系统稳定性。 (4) 工作可靠，抗干扰能力强。 (5) 成本低，效率高，安装和维护方便。,第七章 步进电动机,-35-,3. 驱动控制系统的分类 (1) 步进电动机简单的控制过程可以通过各种逻辑电路来实现。这种控制方法线路较复杂，成本高，而且一旦成型，很难改变控制方案，缺少灵活性。 (2) 由于步进电动机能直接接受数字量输入，特别适合于微机控制。采用计算机控制，不仅可以用很低的成本实际复杂的控制过程，而且具有很高的灵活性，便于控制功能的升级和扩充。 (3) 步进电动机的驱动控制系统还可以采用专用集成电路来构成。这种控制系统具有结构简单、性价比高的优点，在系列化产品中应该优先采用这种方式。,第七章 步进电动机,-36-,二、功率驱动电路 步进电动机功率放大电路的种类很多，按照电流流过定子控制绕组的方向是单向的还是双向的，可以分为单极性驱动电路和双极性驱动电路。单极性驱动电路适用于反应式步进电动机，双极性驱动电路适用于永磁式和混合式步进电动机。这里仅介绍单极性驱动电路。
