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1、主讲：龚海峰主讲：龚海峰机电液系统控制机电液系统控制 步进电机控制技术步进电机控制技术本章内容本章内容小步距角的步进电机步进电机工作方式步进电机简介及结构反应式步进电机的特性步进电机的控制一、步进电机简介及结构u 机理步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位 移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度 ，带动机械部件移动一小段距离。 u 特点 (1)来一个脉冲，转一个步距角； (2)控制脉冲频率，可控制电机转速； (3)改变脉冲顺序，改变电机转动方向。步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动绘图 仪等设备中都得到应用。u 应用一、步进电机简介及结构步进电机按照电机结构分为三种：
2、永磁式、 反应式和 混合式。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般 为7.5度 或15度；多半用于价格低廉的消费性产品。反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一 般为1.5度，但噪声和振动都很大。混进合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又 分为两相、三相和五相：两相步距角一般为1.8度，三相步距 角为0.9度，而五相步距角一般为 0.72度。u 种类下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构 和工作原理。步进电动机主要由两部分构成：定子和转子。它们均 由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。 定子转子定子绕组一、步进电机简介及结构AB C定子转子IAIBIC定子的六
3、个磁 极上有控制绕组， 两个相对的磁极组 成一相。 注意：这里的相和三 相交流电中的“相 ”的概念不同。步 进电动机通的是直 流电脉冲，这主要 是指线圈的联接和 组数的区别。一、步进电机简介及结构二、步进电机工作方式步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双 六拍、三相双三拍等。 三相单三拍（1）三相绕组联接方式：Y 型（2）三相绕组中的通电顺序为： A 相 B 相 C 相通电顺序也可以为：A 相 C 相 B 相AB CIAIBIC二、步进电机工作方式（3）工作过程C ABBCA341 2A 相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子
4、被磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。CABBCA341 21C342C ABBA同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；C相通电再转30。二、步进电机工作方式二、步进电机工作方式这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为步距 角，用S表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。二、步进电机工作方式 三相单双六拍三相绕组的通电顺序
5、为： AABBBCCCAA 共六拍。 工作过程：C ABBCA341 2A相通电，转子1、3齿和A相对齐。二、步进电机工作方式A、B相同时通电CABBCA341 2（1）BB 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使转 子顺时针方向转动。（2）AA 磁场继续对1 、3齿有拉力。所以转子转 到两磁拉力平衡的位置上 。相对AA 通电，转子转 了15。二、步进电机工作方式B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。C ABBCA341 2总之，每个循环周期有六种通电状态，所以称为三相 单双六拍，步距角为15。二、步进电机工作方式 三相双三拍三相绕组的通电顺序为：AB BC CA AB 共三拍。C AB
6、BCA341 2AB通电C ABBCA341 2BC通电二、步进电机工作方式CA通电C ABBCA341 2工作方式为三相双 三拍时，每通入一个电 脉冲，转子也是转30， 即 S = 30。以上三种工作方式，三 相双三拍和三相单双六拍较 三相单三拍稳定，因此较常 采用。三、小步距角的步进电机实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步距 角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子 40个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。三、小步距角的步进电机转子的齿距等于360/40=9 ，齿宽、齿槽各4.5 。为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和 齿
7、槽和转子相同。三、小步距角的步进电机工作原理：假设是单三拍通电工作方式。（1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含120/9 = 个齿。A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 个齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、定子相差1/3 个齿（3），C相的转子、定子相差2/3个齿（6）。三、小步距角的步进电机（2）A 相断电、B 相通电后，转子只需转过1/3个齿（3），使 B 相转子、定子对齐。同理，C 相通电再转3 若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子 只转 1.5 。步进电机的转动方向仍由
8、通电顺序决定。三、小步距角的步进电机反应式步进电机的转子齿数Zr基本上是由步距角的要求决 定的。实现“自动错位”，要求相邻极定、转子齿之间应错开 1/m个转子齿距。转子齿数Zr应满足以下条件：Zr = 2p（k1/m）三、小步距角的步进电机步进电机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为步距 角。m:相数 C:通电状态系数，单拍或双拍方式 时，C=1；采用单、双拍方式时，C=2 Zr：转子齿数如：Zr=40 , m=3 时步距角f：电脉冲的频率转速步进电机结构和分类一、反应式步进电动机反应式步进电动机有单段式和多段式两种形式。1.单段式单段式又称为径向分相式，它是目前步进电动机中使用最多的一种结构
9、形式。2.多段式多段式又称为轴向分相式。二、永磁式步进电动机永磁式步进电动机也有多种结构，右图为一种典型的结构，它的定子是凸极式，装设两相或多相绕组；转子是一对极或多对极的星形永久磁钢。三、感应子式永磁步进电动机感应子式永磁步进电动机的结构，如右图所示。步进电机结构和分类步进电机结构和分类四、直线式步进电动机直线式步进电动机是将电脉冲信号转换成某些特定部件的直线平面上的位移量，以实现相应的定位和轨迹控制。四、反应式步进电机的特性 静态特性静态特性是指通电状态不变,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弄清楚几个名词：(1)初始稳定平衡位置：指步进电动机在空载情况下， 控
10、制绕组中通以直流电流时，转子的最后稳定位置;(2)失调角：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电角 度为2。(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=f()。四、反应式步进电机的特性步进电机的矩角特性T=- Tmaxsin=-f(I) sin四、反应式步进电机的特性(4)静态稳定区：在空载时，稳定平衡位置对应于=0处 ，而=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
11、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)最大静转矩特性四、反应式步进电机的特性(6)矩角特性簇四、反应式步进电机的特性 动态特性u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簇中的下一条矩角特性曲线，转子将转到新的稳定平衡位置OB。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OB点运动。因此称区间ab为电动机空载时的动态稳定区。四、反应式步进电机的特性动态稳定区：(-+se)TL1TstTL2四、反应式步进电机的特性由此可知，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
12、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。此外，矩角特性的波形对电动机带负载的能力也有较大 影响。当矩角特性为平顶波时，Tst值接近于Tmax值，电机带 负载能力较大。因此，步进电动机理想的矩角特性应是矩形 波。四、反应式步进电机的特性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。转子振荡过程：以上分析时
13、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。无阻尼时转子自由振荡有阻尼时转子的衰减振荡四、反应式步进电机的特性u连续脉冲运行n极低频-连续步进运行具有步进特征的运行当控制脉冲频率极低时，脉冲持续的时间很长，并且大于转子衰减振荡的时间。也就是说在下一个控制脉冲尚未到来时，转子已处于某平衡位置。故其每一步都和单步运行一样，电机具有明显的步进特征。四、反应式步进电机的特性n频率很低时的低频共振当控制脉冲的频率比前一种高，脉冲持续的时间比 转子衰减振荡的时间短，这 时转子还未稳定在平衡位置 ，下一个控制脉冲就到来。 当控制脉冲的频率等于或接 近步进电动机的振荡
14、频率f0的 1/K时(K=1、2、3)，电机就会出现强烈振动，甚至失 步和无法工作。四、反应式步进电机的特性n频率很高时的连续运行连续运行状态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。四、反应式步进电机的特性1.起动频率步进电动机的起动频率fst是指在一定负载转矩下能够不失步起动脉冲的最高频率，它是步进电动机的一项重要技术指标。它的大小与电机本身的参数、负载转矩、转动惯量及电源条件等因素有关，它是衡量步进电动机快速性的重要技术指标。1)按能起动的最短
15、脉冲间隔时间tf便可决定电动机的起动频率fst，则fst=1/tf2)起动频率fst的大小与电动机的步距角S有关。3)电动机的最大静转矩Tsm越大，作用于电动机转子上的电磁转矩也越大，使加速度越大，转子达到动稳定区所需时间也就越短，起动频率fst越高。四、反应式步进电机的特性4)转子齿数Zr增多，步距角r就减小，故起动频率fst也随之增高。5)电动机转动部分的转动惯量(包括转子本身及负载)越小，同样的电磁转矩下产生的角加速度就越大，越容易进入动稳定区，起动频率fst也越高。6)负载转矩TL增大时，使作用在转子的加速转矩减小，起动频率fst也将降低。7)电路时间常数增大，控制绕组中电流上升速度变
16、慢，将使电磁转矩变小，起动频率fst也有所降低。8)电动机的内部或外部阻尼转矩增大时，相当于负载转矩有所增加，相应使起动频率fst降低。四、反应式步进电机的特性2.起动特性步进电动机的起动特性和一般电动机不同，它的起动特性是与不失步联系在一起的。(1)起动矩频特性 当转动惯量J为常数时，起动频率fst和负载转矩TL之间的关系，即fst=f(TL)，称为起动矩频特性。起动矩频特性fst=f(TL)四、反应式步进电机的特性起动惯频特性fst=f(J)(2)起动惯频特性 当负载转矩TL为常数时，起动频率fst和转动惯量J(主要是负载转动惯量)之间的关系，即fst=f(J)，称为起动惯频特性。n连续运行频率和运行矩频特性四、反应式步进电机的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。
