计算机课件 _步进电动机

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1、第4章 步进电动机4.1 概述4.2 反应式步进电动机的结构和工作原理4.3 反应式步进电动机的静态特性4.4 反应式步进电动机的动态特性4.5 步进电动机的其它类型及主要性能指标4.6 步进电动机的驱动电源4.1 概述步进电动机将输入的脉冲电信号变换为阶跃的角位移或直线位移，给一个脉冲信号，电动机前进一步，因此称为步进电动机。 （1）控制系统对的基本要求在电脉冲的控制下，步进电动机能迅速起动、正反转、制动和停车，调速范围宽广；步进电动机的步距角要小，步距精度要高，不丢步不越步；工作频率高、响应速度快。（2）步进电动机的分类按其工作方式不同，可分为功率步进电动机和伺服步进电动机两类。按励磁方式

2、的不同，步进电动机可分为反应式、永磁式和感应子式三类。4.2.1结构特点定子铁心 定子铁心为凸极结构，由硅钢片迭压而成。在面向气隙的定子铁心表面有齿距相等的小齿。图4-1 四相反应式步进电动机的结构定子绕组 定子每极上套有一个集中绕组，相对两极的绕组串联构成一相。步进电动机可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。转子 转子上只有齿槽没有绕组，系统工作要求不同，转子齿数也不同。4.2 反应式步进电动机的结构和工作原理4.2.2 工作原理1. 工作原理 以四相反应式步进电动机为例。定子有八个极，相对两极的绕组串联成一相，构成四相；转子六个齿，齿宽等于定子极靴的宽度。 （a）A相通电（b）C相

3、通电（c）B相通电（d）D相通电图4-2 四相单四拍运行A相绕组通电，在磁阻转矩作用下，转子齿1和4的轴线与定子A极轴线对齐；断开A相接通C相，转子齿3和6的轴线与C极轴线对齐，转子逆时针方向转过15；断开C相接通B相，转子又转过15；断开B相接通D相，转子再转过15。经过一个通电循环转子转过一个齿距角。 四相单四拍 每次只接通一相绕组的四相供电方式称为四相单四拍。 四相双四拍（图）每次同时接通两相绕组，如ACCBBDDA，也是四拍一个循环，则称为四相双四拍。双拍运行与单拍运行时步距角相同，产生的转矩一般会增加。 四相八拍AACCCBBBDDDA。步距角变为原来的二分之一。2. 运行方式 拍和

4、步距角 电机通电方式变换一次，称为一拍。每一拍转子所转过的角度，称为步距角 。如何使步进电动机反转？4.2.2 工作原理（图）（图）如图转 子上共有50个齿，齿距角定子极距为 个齿。3. 实用反应式步进电动机如何减小步距角？增加转子齿数，同时在定子极面上开槽，定、转子的齿形要相同。图4-1 四相反应式步进电动机的结构转子齿数应满足4.2.2 工作原理 四相单四拍运行通电方式为ACBD。A相绕组通电，转子齿轴线和定子磁极A上的齿轴线对齐；断开A相接通C相，在磁阻转矩作用下，转子顺时针方向转过四分之一齿距角（1.8），使转子齿轴线和定子磁极C下的齿轴线对齐； 。图4-4 A相通电时定、转子齿的相对

5、位置 每换接一次绕组，转子就转过14齿距角。四步完成一个循环，转子转过7.2 4.2.2 工作原理 四相八拍运行 通电方式为AACCCBBBDDDA。 A相绕组通电，转子齿轴线和定子磁极A上的齿轴线对齐；图4-5 A、C两相通电时定、转子齿的相对位置A、C两相同时通电时，转子顺时针方向只转过1/8齿距角（0.9）；。每换接一次绕组，转子就转过18齿距角。 四相八拍运行时的步距角是四相四拍运行时的一半。 四相双四拍运行通电方式为ACCBBDDA。步距角与四相单四拍运行时一样为1/4齿距角，即1.8。 4.2.2 工作原理4.2.3基本特点1每相脉冲频频率 步进电机的系统框图 脉冲电源环形分配器放

6、大器步进电动机图4-6 脉冲控制方框图“环形分配器”按给定规律分配输入脉冲。对于三相步进电动机，环形分配器是一路输入，三路输出。三相单三拍运行时，第一个电脉冲分给A相；第二个电脉冲分给B相；第三个电脉冲分给C相，完成一个循环。三相双三拍运行时各相驱动信号波形图。图4-7 三相单三拍驱动信号波形图每个循环包含的通电状态数称为“拍数”。拍数可等于相数或相数的二倍。每相脉冲频频率 每循环一次，控制电脉冲的个数总等于拍数N，而加在每相绕组 上的脉冲电压 的个数却等于1。若控制电脉冲频率为 ，每相脉冲频率用 表示，则 4.2.2 工作原理2步距角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 表

7、示。步距角为（机械角度） N为运行拍数， ，m为电机相数。 步距角与拍数N及转子齿数Zt有关。减小步距角，可提高控制精度。在一个齿距内磁场变化一个周期，用电角度表示时，一个齿距就对应360电角度（或 电弧度)。用电角度（或电弧度）表示的齿距角为 。用电角度表示时，步距角为（电角度） （电弧度） 或 用电角度表示步距角时，步距角与转子齿数无关。4.2.2 工作原理3转速n输入一个脉冲，转子转过整个圆周角的 ，即转过 转。 所以转速为f 为控制脉冲的频率，即每秒输入的脉冲数。反应式步进电动机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，与电源电压、负载、温度等因素无关。改变脉冲频率可以改变转速，故可进行无

8、级调速。步进电动机的转速还可用步距角表示改变通电顺序，可以控制电机转向。4.2.2 工作原理4. 步进电动机具有自锁能力当控制电脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通入直流电时，则电机转子可以保持在固定的位置上，即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上。这样，步进电动机可以实现停转时转子定位。4.2.2 工作原理规定定子、转子齿轴线重合的位置为静态空载情况下的初始稳定平衡位置，而转子偏离初始稳定平衡位置的电角度称为失调角 。4.3 反应式步进电动机的静态特性 静止状态步 步进电动机一相或几相通入恒定不变的直流电流，这时转子将固定于某一位置上保持不动，称为静止状态。 失调角 图4-9

9、初始平衡位置与失调角在静止状态下，电磁转矩与失调角之间的函数关系 ，称为步进电动机的矩角特性。 静态特性 单相通电时，通电相极下所有齿都产生转矩，由于同一相极下所有定子齿和转子齿相对应的位置都相同，因而电机总转矩为通电相极下各定子齿所产生转矩之和。4.3.1 静态转矩TA相通电时，有在dt时间内输入的电能为4.3 反应式步进电动机的静态特性式中第一部分 为电阻损耗；第二部分 为磁场储能，是电机对外做功的能源。电磁转矩T驱使转子转过偏转角 时，步进电动机对外输出的机械能 ，从能量平衡关系 即静态转矩为在线性系统中若控制绕组中的电流I为常数，每相控制绕组是两个极上绕组串接而成，且每极绕组的匝数为N

10、，则 4.3.1 静态转矩为每极控制绕组的磁动势； 为转子齿数； 为气隙磁导对失调角的变化率。 气隙磁导 可表示为 为气隙比磁导； 为定子每极下的小齿数； 为铁心长度。 图4-10 气隙比磁导定义图4.3.1 静态转矩气隙比磁导的大小和齿的形状、齿宽与齿距之比、气隙与齿距之比及齿部的饱和度有关，且是失调角的周期性函数，其周期为齿距 。用傅氏级数表示为 忽略高次谐波影响影响时，气隙比磁导为由此可得静态转矩T是失调角 的正弦函数，它的作用总是使转子位置趋向于失调角为零；在结构一定且磁路不饱和的条件下静态转矩的大小与I2成正比。 4.3.1 静态转矩为最大静转矩。最大静转矩直接影响步进电动机的负载的

11、能力和性能，是重要的性能指标之一。4.3.2 矩角特性矩角特性是控制绕组通电状态不变时，电磁转矩与转子偏转角的关系，即静态转矩与失调角的关系 。 1. 单相控制的矩角特性图4-11 单相控制的矩角特性2. 多相通电时的矩角特性一般来说，多相通电时的矩角特性以及最大静态转矩与单相通电时不同。多相通电时的矩角特性可近似地由每相各自通电时的矩角特性叠加起来求出。 三相步进电动机当两相通电时（如A、B两相）的矩角特性图4-12 A相、B相定子齿相对转子齿的位置设A通电时，距角特性为则B通电时，距角特性为4.3.2 矩角特性当A、B两相同时通电时合成矩角特性应为 （a） 矩角特性 （b）转矩矢量图图4-

12、13 三相步进电动机单相、两相通电时的转矩它是一条幅值不变、相移60的正弦曲线。4.3.2 矩角特性 五相步进电机的单相、二相、三相通电时矩角特性 图4-l4 五相步进电动机单相、二相、三相通电时的矩角特性 图4-15 五相步进电动机转矩矢量图 二相和三相通电时矩角特性相对A相矩角特性分别移动了36和72，静态转矩最大值两者相等。因此，五相步进电动机可采用二相三相运行方式 。 4.3.2 矩角特性 m相电机，n相同时通电时的矩角特性 n相同时通电时 为单 拍制运行方式时的步距角；4.3.2 矩角特性例如五相步进电动机两相通电时转矩最大值为三相通电时转矩最大值为应当注意，最大静态转矩 与控制绕组

13、中电流的平方成正比，其前提条件是磁路不饱和，实际上当电流达到一定数值后，磁路开始饱和，正比关系被破坏，随I增大， 增大得越来越慢。图4-l6 最大静态转矩与控制电流的关系4.3.2 矩角特性不稳定平衡点 在 ，虽然也有 ，但 或 后，静态转矩与 的方向一致，驱使转子背离稳定平衡点，故 的位置称为不稳定平衡点。 稳定平衡点 当 时， ，该位置称为稳定平衡点。 静稳定区 在 区间内， 与 方向相反， 总是阻止 变化，若由于外力矩使转子偏离稳定平衡点，只要在上述范围内，一旦去掉外力，转子就能在静态转矩的作用下返回到稳定平衡点。区间 称为静稳定区。4.3.3 静稳定区4.4 反应式步进电动机的动态特性

14、动态特性是指脉冲电压按一定的分配方式加到各控制绕组上，步进电动机所具有的特性。脉冲频率不同，步进电动机的运行性能也不同。分为三个区段分析： 脉冲频率极低的步进运行 高频率脉冲的连续运行 介于上述两段脉冲频率之间的运行当步进电动机处于矩角特性曲线“n”所对应的稳定状态时，输入一个脉冲，使其控制绕组改变 通电状态，矩角特性向前跃移一个步距角 ， 稳定平衡点也由0变为 ，相对应的静稳定区为 。在改变通电状态时 ，只有当转子起始位置在此区间，才能使它向 点运动，达到该稳定平衡位置。因此把区域 称 为动稳定区。1. 动稳定区和稳定裕度 动稳定区 是指步进电动机从一种通电状态切换到另一种通电状态，不至引起失步的区域。 4.4.1 步进运行状态时的动态特性控制电脉冲的间隔时间大于步进电动机过渡过程所需的时间，称为步 进运行状态。稳定裕度 把矩角特性曲线“n”的稳定平衡点0离开曲线(n+1)的不稳定平衡点的距离 ，称为“稳定裕度”。稳定裕度为为单拍制运行时的步距角。可见，反应式步进电动机的相数必须大于2。4.4.1 步进运行状态时的动态特性2. 最大负载能力（起动转矩）步进电动机在步进运行时所能带动的最大负载，可由相邻两条矩角特性交点所对应的电磁转矩 来确定。图4-18 最大负载能力的确定情况1：