第9章-步进电动机PPT课件

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1、第9章 步进电动机,9.1 概述 9.2 反应式步进电动机的工作原理和基本特点 9.3 步进电动机的矩角特性和静态转矩 9.4 步进电动机的单步运行状态 9.5 步进电动机的连续脉冲运行和动特性 9.6 电源及分配方式对电机性能的影响 9.7 步进电动机主要性能指标 9.8 其它类型的步进电动机 思考题与习题,9.1 概 述,步进电动机（脉冲电动机） 是数字控制系统中的一种执行元件。 功用：将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移， 即给一个脉冲电信号， 电动机就转动一个角度或前进一步。 ,图 9 - 1 步进电动机的功用,步进电动机的角位移量或线位移量s与脉冲数k成正比（图9- 2(a)）；

2、 转速n或线速度v与脉冲频率f成正比（图9- 2(b)）。 适用场合： 开环系统中作执行元件， 使控制系统大为简化。 很适合采用微型计算机控制。 ,图 11 - 2 步进电动机的控制特性,应用场合： 步进电动机用于机械加工的数字程序控制机床中(即数控机床)； 在绘图机、 轧钢机的自动控制； 自动记录仪表和数模变换等。 ,图9- 3 复杂零件的加工,在现代工业， 特别是航空、 导弹、 无线电等工业中， 要求加工的机械零件形状复杂， 数量多， 精度高， 利用人工操作不仅劳动强度大， 生产效率低， 而且难以达到所要求的精度。 例图9 - 3是一个劈锥， 形状比较复杂， 精度要求比较高， 用普通机床或

3、仿形机床加工都是有困难的； 通常用坐标镗床一点一点地加工， 然后进行人工修整， 这样耗费的时间就太长了。 为了缩短生产周期， 提高生产效率， 可用程序控制铣床进行加工。 铣床需要作3种动作： ,(1) 铣刀作径向移动(Y方向)； (2) 工件以轴为中心作旋转(方向)； (3) 工件沿轴向移动(X方向)。 ,为了达到精度要求， 对这 3 种动作必须非常准确地进行控制。 数字程序控制铣床就是可以准确地进行自动控制的机床。 在数控铣床中， 上面 3 个方向的动作分别由3 个步进电动机即Y方向步进机， X方向步进机， 方向步进机来拖动， 每一个方向步进电动机都由电脉冲控制。 加工零件时， 根据零件加工

4、的要求和加工的工序编制计算机程序语言， 并将该程序送入电子计算机； 计算机就对每一方向的步进电动机给出相应的控制电脉冲， 指令步进电动机按照加工的要求依次做各种动作， 如转速加快、 减慢、 启动、 停止、正转、 反转等； 然后步进电动机再通过滚珠丝杠带动机床运动。 数控机床整个工作示意图（图9- 4）。 ,图 9 - 4 数控机床工作示意图,机床各个方向严格地按照根据零件加工的形状所编的控制程序协调地动作， 不要人工操作就能自动地加工出精度高、 形状复杂的零件。利用数控机床加工零件不但可以大大地提高劳动效率， 而且加工精度也高。 数控铣床、数控车床、 数控钻床、 线切割机床等， 其工作原理相似

5、。 ,步进电动机是数控机床中的关键元件。 目前， 步进电动机的功率做得越来越大， 已生产出所谓“功率步进电动机”。 它不通过力矩放大装置， 直接由功率步进电动机来带动机床运动， 从而提高了系统精度， 简化了传动系统的结构。,从数控机床加工过程来看， 对步进电动机的基本要求是： (1) 步进电动机在电脉冲的控制下能迅速启动、 正反转、 停转及在很宽的范围内进行转速调节； (2) 为了提高精度， 要求一个脉冲对应的位移量小， 并要准确、 均匀。 这就要求步进电动机步距小、 步距精度高， 不得丢步或越步； (3) 动作快速。 即不仅启动、 停步、 反转快， 并能连续高速运转以提高劳动生产率； (4)

6、 输出转矩大， 可直接带动负载。 ,9.2 反应式步进电动机的工作原理和基本特点,一、 典型结构,图 9 - 5 四相反应式步进电动机的结构,图9 - 5是一台四相电机， 定子铁心由硅钢片叠成， 定子上有 8 个磁极(大齿)， 每个磁极上又有许多小齿。 四相反应式步进电动机共有 4 套定子控制绕组， 绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。 转子也是由叠片铁心构成， 沿圆周有很多小齿， 转子上没有绕组。 根据工作要求， 定子磁极上小齿的齿距和转子上小齿的齿距必须相等， 而且转子的齿数有一定的限制。 图中转子齿数为50个， 定子每个磁极上小齿数为5个。,二、反应式步进电动机的工作原理 利用凸极

7、转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动的。 图9 - 6是一台三相反应式步进电动机， 定子有 6 个极， 不带小齿， 每两个相对的极上绕有一相控制绕组， 转子只有 4 个齿， 齿宽等于定子的极靴宽。,图 9 - 6 三相单三拍运行 (a) A相接通； (b) B相接通； (c) C相接通,当A相控制绕组通电， 而B相和C相都不通电时， 由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点， 所以转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐。 同理， 当断开A相接通B相时， 转子便按逆时针方向转过30， 使转子齿2和4的轴线与定子B极轴线对齐。 断开B相， 接通C相， 则转子再转过30， 使转子齿1和3的轴线

8、与C极轴线对齐。,图 9 - 6 三相单三拍运行 (a) A相接通； (b) B相接通； (c) C相接通,按A - B - C - A顺序不断接通和断开控制绕组， 转子就会一步一步地按逆时针方向连续转动。 其转速取决于各控制绕组通电和断电的频率(即输入的脉冲频率)， 旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。 通电次序改为A - C - B - A 则电机转向相反， 变为按顺时针方向转动。 按A - B - C - A 方式运行的称为三相单三拍运行。 “三相”， 是指此步进电动机具有三相定子绕组； “单”是指每次只有一相绕组通电； “三拍”指三次换接为一个循环， 第四次换接重复第一次的情况。,三

9、相双三拍的通电方式： 控制绕组的通电方式为ABBCCAAB ACCBBAAC,三相六拍运行 供电方式是A - AB - B - BC - C - CA - A A - AC -C - CB - B - BA - A 每一循环换接 6 次， 总共有 6 种通电状态， 这 6 种通电状态中有时只有一相绕组通电(如A相)， 有时有两相绕组同时通电(如A相和B相)。 图9 - 8表示按这种方式对控制绕组供电时转子位置和磁通分布的图形。,图 9 - 8 三相六拍运行 (a) A相通电； (b) A、 B相通电； (c) B相通电； (d) B、 C相通电,三、反应式步进电动机的步距角,步距角：每一步转子

10、转过的角度。 书中图9-2所示的步进电机，定子有6个磁极，每个磁极上有5个小齿；转子有50个小齿，定子上小齿与转子上小齿的齿距相等。运行方式为三相单三拍运行，即 A - B - C A 齿距角t（相邻两齿间的夹角）： 定子一个极距所占的齿数为,图 9 - 9 转子为50齿时定转子的相对位置 （a）A相通电 （b）B相通电（c）C相通电,图 9 10 A相通电时定、 转子齿的相对位置,图 9 - 5 四相反应式步进电动机的结构,图9-5所示的步进电机，定子有8个磁极，每个磁极上有5个小齿；转子有50个小齿，定子上小齿与转子上小齿的齿距相等。运行方式为三相单三拍运行时，步距角是多少？,如果运行方式

11、改为四相八拍， 其通电方式为A - AB - B - BC - C - CD - D - DA - A 即单相通电和两相通电相间时， 与上面三相步进电动机道理完全一样， 当A相通电转到A、 B两相同时通电时， 定、 转子齿的相对位置由图9 -10所示的位置变为图9 - 11那样的位置(只画出A、 B两个极下的齿)， 转子按顺时针方向只转过1/8齿距角， 即0.9， A极和B极下的齿轴线与转子齿轴线都还错开1/8齿距角。,图 9 10 A相通电时定、 转子齿的相对位置,图 9 11 A、 B两相通电时定、 转子齿的相对位置,当B相一相通电时， 转子齿轴线与B极下齿轴线相重合， 转子按顺时针方向又

12、转过1/8齿距角。 这样继续下去， 每换接一次绕组， 转子转过1/8齿距角。 可见四相八拍运行时的步距角比四相四拍运行时也小一半。 当步进电动机运行方式为四相双四拍， 即AB - BC - CD - DA - AB 方式通电时， 步距角与四相单四拍运行时一样为1/4齿距角， 即1.8。,四、步进电动机的基本特点 (1) 步进电动机工作时， 每相绕组由专门驱动电源通过“环形分配器”按一定规律轮流通电。 例如一个按三相双三拍运行的环形分配器输入是一路， 输出有A、 B、 C三路。 若开始是A、 B这两路有电压， 输入一个控制电脉冲后， 就变成B、 C这两路有电压， 再输入一个电脉冲， 则变成C、

13、A这两路有电压， 再输入一个电脉冲， 又变成A、 B这两路有电压了。,图9 - 12 控制方框图,环形分配器输出的各路脉冲电压信号， 经过各自的放大器放大后送入步进电动机的各相绕组， 使步进电动机一步步转动。 图9 -13表示三相双三拍运行时控制电脉冲及各相控制电压随时间变化的波形图。,图 9 -13 三相双三拍运行时各相控制电压波形图,步进电动机这种轮流通电的方式称为“分配方式”。 每循环一次所包含的通电状态数称为“状态数”或“拍数”。 状态数等于相数的称为单拍制分配方式(如三相双三拍、 四相双四拍等)， 状态数等于相数的两倍的称为双拍制分配方式(如三相六拍， 四相八拍等)。 同一台电机可有

14、多种分配方式。 不管分配方式如何， 每循环一次， 控制电脉冲Uk的个数总等于拍数N， 而加在每相绕组上的脉冲电压(或电流)个数却等于1， 因而控制电脉冲频率f是每相脉冲电压(或电流)频率f相的N倍， 即,(2) 每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角， 用符号b表示。 当电机按四相单四拍运行， 即按A - B - C - D - A 顺序通电时， 若开始是A相通电， 转子齿轴线与A相磁极的齿轴线对齐； 换接一次绕组， 转子转过的角度为1/4齿距角； 转子需要走 4 步， 才转过一个齿距角； 此时转子齿轴线又重新与A相磁极的齿轴线对齐。 当电机在四相八拍运行， 即按A - AB - B -

15、 BC - C - CD - D - DA 顺序通电时， 换接一次绕组， 转子转过的角度为1/8齿距角； 转子需要走 8 步才转过一个齿距角。,(式中， ZR为转子齿数)， 所以转子每步转过的空间角度(机械角度)， 即步距角为,(9 - 2),式中， N为运行拍数， N=km (k=1, 2； m为相数)。,由于转子相邻两齿间的夹角， 即齿距角为,(9 - 1),减小步距角可以增加拍数N。 1、相数增加相当于拍数增加， 但相数越多， 电源及电机的结构也越复杂。 反应式步进电动机一般做到六相， 个别的也有八相或更多相数。 对同一相数既可以采用单拍制， 也可采用双拍制。 采用双拍制时步距角减小一半

16、。 所以一台步进电动机可有两个步距角， 如1.5/0.75、1.2/0.6、 3/1.5等。 2、增加转子齿数ZR， 步距角也可减小。 所以反应式步进电动机的转子齿数一般是很多的。 通常反应式步进电动机的步距角为零点几度到几度。,如果将转子齿数看作为转子的极对数， 那末一个齿就对应360电角度(或2电弧度)， 即用电角度(或电弧度)表示的齿距角为 te=360 或 te=2 rad 相应的步距角为,(9 - 3),(9 - 5),可见， 与一般电机一样， 电角度等于机械角度乘上极对数(这里是转子齿数)。,或,(9 - 4),所以当拍数一定时， 不论转子齿数多少， 用电角度表示的步距角均相同。 考虑到式(9- 2)， 用电角度表示的步距角,(3) 反应式步进电动机可以按特定指令进行角度控制， 也可以进行速度控制。 角度控制时， 每输入一个脉冲， 定子绕组就换接一次， 输出轴就转过一个角度， 其步数与脉冲数一致， 输出轴转动的角位移量与输入脉冲数成正比。 速度控制时， 送入步进电动机的是连续脉冲， 各相绕组不断地轮流通电， 步进电机连续运转