步进电动机及其控制

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1、第六章 步进电动机及其控制,2,本章教学目标与要求,了解步进电动机系统的发展历史 掌握步进电动机系统的基本构成与工作原理 掌握步进电动机的运动控制方式 掌握步进电动机功率变换器的基本原理和基本设计步骤 掌握控制器的构成、原理和基本设计步骤、设计方法 了解步进电动机系统的一般应用 了解步进电动机的一般原理与应用,3,本章知识架构,4,引例1,步进电动机（Stepping Motor，或 Step Motor 、Stepper Motor）是一种可由电脉冲控制运动的特殊电动机，可以通过脉冲信号转换控制的方法将脉冲电信号变换成相应的角位移或线位移。因此步进电动机也被称为脉冲电动机（Pulse Mot

2、or）。 步进电动机不能直接使用通常的直流或交流电源来驱动，而是需要使用专门的步进电动机驱动器。 在工业生产中被应用于数控机床、打印机、绘图仪、机器人控制等，,5,引例2,通过一定的控制方式，可以使步进电动机运动时的角位移或线位移与脉冲数成正比，即其转速或线速度与输入控制脉冲的频率成正比。 在步进电动机所能承受的负载能力范围内，这种关系不会因电源电压、负载大小以及环境条件的波动而变化，因而在系统中可以采用开环的方式进行运动控制，从而使控制系统大为简化。 通常步进电动机可以在较宽的范围内通过改变输入控制脉冲的频率来实现调速，并能够做到快速起动、反转和制动。 由于它能直接利用脉冲数字信号进行控制并

3、将其转换成角位移，因而很适合于采用计算机来进行数字式控制的场合。,6,一些使用步进电动机的机器、设备。,机器人,打印机,步进电动机及其控制器,数控机床,数控机床,7,6.1 步进电动机简介,传统的交直流电动机主要功能是将电能转换成机械能，机电能量转换的效率是衡量它性能优劣的主要指标。随着社会生产及科学技术的发展，在生产、生活中除了要求电动机完成机电能量转换的功能，还提出了运动控制方面的要求，如实现角速度和角位移的控制。 对于控制应用来说，主要控制指标包括:稳速精度、调速范围、动态响应、跟随精度及定位精度等。 在现代高性能运动控制应用中，步进电动机、无刷直流电动机和交流伺服电动机成为主要角色。

4、其中步进电动机最早成为适应计算机控制的运动控制电动机，在上世纪60年代有较大的进展，二相混合式步进电动机的专利也是那时提出的，70和80年代步进电动机迅速发展，在计算机外设和办公自动化设备中广泛应用，并迅速推广到很多工业装置，包括数控车床。,8,6.1 步进电动机简介,所有电动机运动所需的力都源于电磁力。与交流电动机运动不同的是，步进电动机运动时的所需的电磁力是由定子绕组因通电产生的磁场，对由磁性材料按照一定形状做成的转子磁极的吸引力形成的。 交流电机转动时，定子绕组通电产生旋转磁场，而转子由于形成切割磁力线的等效作用在其内部产生感应电流，与定子绕组产生的旋转磁场相互作用形成运动所需的电磁力，

5、从而产生转子的转动。为了产生运动所需的一定强度的感应电流，交流电动机在原理上就会要求旋转磁场在转速上有一定限制。 步进电动机的转动类似于同步电机在同步转动时的状态，即由定子线圈通过电流产生的磁场吸引转子形成转动所需的作用力，磁场的旋转带动转子的运动。在这一过程中并不需要在转子内部产生感应电流及其产生的相应的磁场，可以以走一步停一下的即步进的方式运行。,9,6.1 步进电动机简介,使电机产生转动的作用力可以表现为两种形式： 一种是由电磁作用原理产生的， 作用力是定/转子两个磁场相互作用的结果，其作用力的来源类似于两个磁铁的同极性相排斥异极性相吸引而产生作用力的现象，目前大部分电机也都是遵循这一原

6、理，例如一般的直流电机和交流电机。 另一种是由磁阻原理产生的。 作用力则是由定/转子间气隙磁阻的变化产生的，当定子绕组通电时，产生一个单相磁场作用于转子，由于磁场在转子与定子之间的分布要遵循磁阻最小原则（或磁导最大原则），即磁通总要沿着磁阻最小（磁导最大）的路径闭合，因此，当转子产生的磁场的磁极轴线与定子磁极的轴线不重合时，便会有磁阻力作用在转子上并产生转矩使其趋于磁阻最小的位置，即两轴线重合位置，这类似于磁铁吸引铁质物质的现象。,10,6.1 步进电动机简介,以上两种产生力矩的方式都被用于步进电动机，如步进电动机有激磁式、反应式及混合式等。其中激磁式是由电磁作用产生力矩的，而反应式是由磁阻原

7、理产生力矩的。而混合式则同时利用了两种形式的作用。 由于步进电动机运动所需的电磁力并不是由于感应电流产生的，通过结构上的设计，并按一定的规则控制定子绕组的电流，可以使转子以一步步的方式来转动，并且可以停在某一位置，实现转动或位置控制。因此可以方便地用来实现将脉冲信号转换成角位移或线位移。通过结构上的设计，可以实现每输入一个电脉冲信号，步进电动机就走一步。步进电动机走一步的角度大小称为步距角，这种步进式运动不同于普通匀速旋转的电机，所以称为步进电动机。由于其工作电源是脉冲电压，因此步进电动机也称为脉冲电机。这也是步进电动机名称的由来。步进电动机由专用控制电源供给电脉冲信号，电脉冲信号也称为走步脉

8、冲信号。,11,6.1 步进电动机简介,步进电动机的运动是受走步脉冲信号控制的，因此适合于作为数字控制系统的伺服元件。它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比，所以电机的线速度或转速与脉冲频率成正比。通过改变脉冲频率的高低，就可以在很大的范围内调节电机的转速，并能实现快速启动、制动和反转。 当在设计条件下工作时，步进电动机的步距角和转速的大小不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如清晰度、气压、冲击和振动等影响，它仅与电脉冲频率有关，每转一周都有固定的步数。 步进电动机在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。这些优点使它完全适用于数字控制的开环系统中作为伺服元件，并使整个系统大为简

9、化而又运行可靠。,12,6.1 步进电动机简介,步进电动机存在功耗大，效率低，带负载能力不强，且易出现共振或振荡现象等缺点。当采用速度和位置检测装置后，步进电动机也可用于闭环位置伺服系统，但这种情况下其性能和成本难以与无刷直流电机竞争。 步进电机的一些基本参数 电机固有步距角 步进电机的相数 保持转矩,13,6.2 步进电动机分类,1) 按转矩产生的原理分为 a.反应式步进电动机。 b.激磁式步进电动机。这类步进电动机又分为电磁式与永磁式； c.混合式步进电动机。同时混合使用前两种方式。 2)按输出转矩的大小分为 a功率步进电动机(动力式)，转矩一般在1公斤米以上，可直接用来拖动执行元件； b

10、伺服式步进电动机(指示式)，转矩在几百克厘米以下，多用于控制系统中。 3) 按磁场方向分为 a横向磁场式步进电动机； b纵向磁场式步进电动机。,14,6.2 步进电动机分类,4) 按定转子数目分为 a.单定子式步进电动机； b.双定子及多定子式步进电动机。 5) 按定转子相对位置可分为 a.内定子外转子式步进电动机； b.外定子内转子式步进电动机； c.十双定子式(内外定子)步进电动机。 另外也还可按绕组形式(集中、分布)，转向（可逆转、不可逆转)、相数单相、两相、三相及多相)等方法分类。 在本章中，将按产生转矩的原理来进行分类及分别叙述。,15,6.3 步进电动机的工作原理,步进电动机按产生

11、转距的方式不同可分为反应式、激磁式及混合式三种。反应式步进电动机的定转子都是凸极结构，是利用磁阻最小原理工作。因为步进电动机凸极转子的交轴磁阻与直轴磁阻不同，所以引起电枢反应磁场按照磁阻最小原理产生电磁转矩，从而驱动转子转动。 反应式步进电动机转子齿数可以很多，因此步距角可以做得很小，即使没有减速装置，也可以低速、高精度地实现位置控制。 激磁式步进电动机的激磁可以是永磁式或电磁激磁式，通常是永磁式激磁。激磁式步进电动机转子是由于具有磁场，驱动转矩较大，但由于制造工艺的缘故，转子磁极数目不能做的太多，因此步距角比较大。 混合式步进电动机兼有反应式步进电动机和永磁式步进电动机的优点，可以做到步距角

12、小而驱动转矩又大。,16,6.3.1 步进电动机的工作原理,1.单定子三相反应式步进电动机的结构及工作原理,图 6.1单定子三相反应式步进电动机的结构,17,6.3.1 步进电动机的工作原理,（a）对 齿 （b）错 齿 图 6.2定子与转子间的磁导现象,18,6.3.1 步进电动机的工作原理,磁阻式转矩产生的原理：在定子绕组由通电产生的相应的电磁场的作用下，在定子小齿与转子小齿之间存在磁场，转子小齿将被强行推动到最大磁导率（或者最小磁阻）的位置（如图6.2a所示，即定子小齿与转子小齿对齐的位置），这一过程称为对齿，并处于平衡状态。同时这一过程中形成转子的转动。 当定子小齿与转子小齿对齐后，将不

13、再产生使转子转动的磁力，为了持续形成转动，必须使其它没有对齐的即错齿（如图6.2b所示）的定子小齿与转子小齿产生磁力，并由磁阻作用形成转矩。这一过程中即是步进电动机的电流换相。 错齿的存在是步进电动机能够旋转的前提条件。所以，在步进电动机的结构中必须保证有错齿的存在，也就是说，当某一相处于对齿状态时，其他相必须处于错齿状态。,19,6.3.1 步进电动机的工作原理,定子的齿距角与转子的相同，所不同的是，转子的小齿是圆周分布的，而定子的小齿只分布在磁极上，属于不完全齿。当某一相处于对齿状态时，该相磁极上的定子的所有小齿都与转子上的小齿对齐。 如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将

14、向磁导率最大（或磁阻最小）的位置转动，即向趋于对齿的状态转动。电动机基于这一原理实现转动。,20,6.3.1 步进电动机的工作原理,步进电动机中最简单的结构,图 6.3 三相步进电动机的原理及其绕组的通电顺序 （a）三相步进电动机的原理 （b）三相步进电动机绕组等效电路图,21,6.3.1 步进电动机的工作原理,当定子绕组通电及换相时，将会产生使转子转动的力矩并使转子转动。根据通电及换相的方法的不同，可以有以下几种转动方式： 1）通电方式为UVWU的顺序轮流供电且一相通电、两相断电的方式。此时步进电动机每换一次通电方式，转子按顺时针方向转过60o。如果按UWVU顺序轮流供电，则步进电动机逆时针

15、转动。称这种方式为“三相三位”或“单三拍”分配方式。 2）通电方式为UUVVVWWWUU(或反顺序)，则称为“三相六位”或“三相六拍”。此时，步进电动机每步为30o，步距角减小一半。 3）如果通电方式为UVVWWUUV，则称为双三伯”，步距角仍为60o。,22,6.3.1 步进电动机的工作原理,实际应用中，要求的步距角要小得多。定子每个磁极的内表面都分布着多个小齿（如图6.1所示），它们大小相同，间距相同。转子的外表面也均匀分布着小齿，这些小齿与定子磁极上的小齿齿距相同，形状相似。由于小齿的齿距相同，所以不管是定子还是转子，它们的齿距角都可以由式z = 2/Z 来计算，其中Z 为转子的齿数。,

16、23,6.3.1 步进电动机的工作原理,磁阻式步进电动机的相数m通常为三至六相，每相一对磁极。大的可采用多对极，小的可采用每相一个极。为了实现转子齿与定子齿能自动错位，使电机中一相磁极的一个定子齿和一个转子齿对齐时，其它的齿应错开一定的角度。则必须满足如下二个条件： 1）在相同的磁极下，对应的定子与转子齿应同时对齐或同时错开，使在各同名相下产生的反应转矩大小相等，方向相同，因此要求转子齿数Zr是一相磁极对数的倍数，即 Zr = 2pk (2)在不同相的极下，定子与转子齿的相对应置应依次错开1m齿，从而使变换通电状态时，转子能连续步进，因而转子齿数不能是总极数的倍数，即 Zr 2mpk,24,6.3.1 步进电动机的工作原理,式中 m-电机的相数 p-电机的极对数（每相） k-正整数 据此，当定子前后相的磁极在相邻位置上时，如图6.4a所示，转子齿数应为 Zr = 2mpk 2p 当前后相的磁极在相隔一个极的位置时，如图6.4（b）所示，转子齿数应 Zr=2mpkp,25,6.3.1 步进电动机的工作原理,