步进电机详解

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1、 1 第四章 步进电动机 第四章 步进电动机 4-1 概 述 4-1 概 述 步进电动机 stepping motor 是将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的一种特殊电机 每输入一个电脉冲信号电机就转动一个角度它的运动形式是步进式的所以称为步进电动机 又由于它输入的是脉冲电流所以也叫脉冲电动机 步进电动机在不需要变换的情况下能直接将数字脉冲信号转换成角位移或线位移因此它很 适合作为数字控制系统的伺服元件此外它还具有一系列的优点一是输出角位移量或线位移量 与其输入的脉冲数成正比而转速或线速度与脉冲的频率成正比在负载能力范围内这些关系不 受电压的大小负载的大小环境条件等外界各种因素的干扰二是

2、它每转一周都有固定的步数 所以步进电动机在不失步的情况下运行其步距误差不会长期积累三是控制性能好它可以在开 环系统中在很宽的范围内通过改变脉冲的频率来调节电机的转速 并且能够快速启动 制动和反转 四是有些型式的步进电动机在停止供电的状态下还有定位转矩有些型式在停机后某些相绕组仍保 持通电状态具有自锁能力不需要机械制动装置等当采用速度和位置检测装置后它可构成闭 环控制系统 计算机技术电力电子技术和微电子技术的发展给步进电动机的应用开辟了广阔的前景应 用非常广泛如数控机床绘图机自动记录仪表遥控装置和航空系统等等都大量使用步进电 动机 步进电动机的主要缺点是效率较低并且需要专用电源供给电脉冲信号带负

3、载惯量的能力不 强在运行中会出现共振和振荡问题 步进电动机的种类很多主要有反应式永磁式和混合式近年来又发展有直线步进电动机和 平面步进电动机等其中反应式步进电动机结构较简单应用比较普遍而且其他类型步进电动机的 基本原理与它基本相似所以本章着重分析反应式步进电动机 4-2 反应式步进电动机的结构及工作原理 4-2 反应式步进电动机的结构及工作原理 一一反应式步进电动机的结构反应式步进电动机的结构 反应式步进电动机的结构形式很多按定转子铁芯的段数分为单段式和多段式两种 1单段式 单段式是定转子为一段铁芯由于各相绕组沿圆周方向均匀排列所以又称为径向分相式它 是步进电动机中使用最多的一种结构形式如图

4、4-1 为三相反应式步进电动机的径向截面图定转 子铁芯由硅钢片叠压而成定子磁极为凸极式磁极的极面上开有小齿定子 上有三套控制绕组每一套有两个串联的集中控制绕组分别绕在径向相对的两个磁极上每套绕组 叫一相三相绕组接成星形所以定子磁极数通常为相数的两倍即 2p=2mp 为极对数m 为相 数转子上没有绕组沿圆周也有均匀的小齿其齿距和定子磁极上小齿的齿距必须相等而且 转子的齿数有一定的限制 这种结构形式的优点是制造简便 精度易于保证 步距角可以做得较小 容易得到较高的启动和运行频率其缺点是在电机的直径较小而相数又较多时沿径向分相较为困 2 难消耗功率大断电时无定位转矩 图 4-1 三相反应式步进电动机

5、的结构 2多段式 多段式是定转子铁芯沿电机轴向按相数分成 m 段 由于各相绕组沿着轴向分布所以又称为轴 向分相式 按其磁路的结构特点有两种 一种是主磁路仍为径向 另一种是主磁路包含有轴向部分 多段式径向磁路步进电动机的结构如图 4-2 所示每一段的结构和单段式径向分相结构相似 通常每一相绕组在一段定子铁芯的各个磁极上定子的磁极数从结构合理考虑决定最多可以和转 子齿数相等定转子铁芯的圆周上都有齿形相近和齿距相同的均匀小齿转子齿数通常为定子极数 的倍数定子铁芯或转子铁芯每相邻两段沿圆周错开 1/m 齿距此外也可以在一段铁芯上放 置两相或三相绕组定子铁芯或转子铁芯每相邻两段要错开相应的齿距这样可增加

6、电机制 造的灵活性 图 4-2 多段式径向磁路反应式步进电动机 1线圈2定子3转子 多段式轴向磁路步进电动机的结构如图 4-3 所示每段定子铁芯为字形在其中间放置环形 控制绕组定转子铁芯上均有齿形相近和齿数相等的小齿定子铁芯或转子铁芯每相邻两段沿 圆周错开 1/m 齿距 多段式结构的共同特点是铁芯分段和错位装配工艺比较复杂精度不易保证特别对步距角较 3 小的电机更是困难但步距角可以做的很小启动和运行频率较高对轴向磁路的结构定子空间 利用率高环形控制绕组绕制方便转子的惯量较低 图 4-3 多段式轴向磁路反应式步进电动机 1线圈2定子3磁轭4转子5引出线 二二反应式步进电动机的工作原理反应式步进电

7、动机的工作原理 反应式步进电动机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩而转动的所以 也称为磁阻式步进电动机现以一个最简单的三相反应式步进电动机为例说明其工作原理 图 4-4 是一台三相反应式步进电动机的原理图定子铁芯为凸极式共有三对六个磁极 每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组转子用软磁性材料制成也是凸极结构只有四个齿齿 宽等于定子的极靴宽下面通过几种基本的控制方式来说明其工作原理 图 4-4 三相反应式步进电动机的原理图 1三相单三拍通电方式 当 A 相控制绕组通电其余两相均不通电电机内建立以定子 A 相极为轴线的磁场由于磁 通具有力图走磁阻最小路径的特点使转子齿 13 的轴线与

8、定子 A 相极轴线对齐如图 4-4a 所示 若 A 相控制绕组断电 B 相控制绕组通电时 转子在反应转矩的作用下 逆时针方向转过 30 使转子齿 24 的轴线与定子 B 相极轴线对齐即转子走了一步如图 4-4b所示若再断开 B 相使 C 相控制绕组通电转子又转过 30使转子齿 13 的轴线与定子 C 相极轴线对齐如图 4-4c所示如此按 ABCA 的顺序轮流通电转子就会一步一步地按逆时针方向转动其 转速取决于各相控制绕组通电与断电的频率 旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序 若按 AC BA 的顺序通电则电机按顺时针反方向转动 上述通电方式称为三相单三拍运行三相是指三相步进电动机单是指每次只有

9、一相控 制绕组通电控制绕组每改变一次通电方式称为一拍三拍是指经过三次改变通电方式为一个 4 循环我们称每一拍转子转过的角度为步距角常用 s 来表示三相单三拍运行时=30 S 2三相双三拍通电方式 控制绕组的通电方式为 ABBCCAAB 或 ABCABCAB每拍同时有两相绕组通电三拍 为一个循环当 AB 两相控制绕组同时通电时转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用 只有 A 相极和 B 相极对转子齿所产生的磁拉力相平衡才是转子的平衡位置如图 4-5a所示 若下一拍为 BC 两相同时通电时则转子按逆时针转过 30到达新的平衡位置如图 4-5b所 示可见双三拍运行时的步距角仍是 30但双三拍运行时

10、每一拍总有一相绕组持续通电例 如由 AB 两相通电变为 BC 两相通电时B 相保持持续通电状态C 相磁拉力力图使转子逆时针 方向转动而 B 相磁拉力却起有阻止转子继续向前转动的作用即起到一定的电磁阻尼作用所以 电机工作比较平稳而在三相单三拍运行时由于没有这种阻尼作用所以转子达到新的平衡位置 容易产生振荡稳定性不如双三拍运行方式 (a) (b) 图 4-5 三相双三拍运行方式 (a)AB 相导通(b)BC 相导通 3三相单双六拍通电方式 控制绕组的通电方式为 AABBBCCCAA 或 AAC-CCBBBAA 即一相通电和两 相通电间隔地轮流进行完成一个循环需要经过六次改变通电状态当 A 相控制绕

11、组通电时和单三 拍运行的情况相同如图 4-4a所示当 AB 两相同时通电时和双三拍运行的情况相同转子 只能按逆时针方向转过 15如图 4-5a所示当断开 A 相使 B 相单独接通转子继续按逆时针 方向又转过 15如图 4-4b所示依次类推若继续按 BCCCAA 的顺序通电步进电 动机就一步一步地按逆时针方向转动若通电顺序变为 AACCCBBBAA 时步进电动机 将按顺时针反方向旋转可见单双六拍运行时步距角为 15比三拍通电方式时减小一半因 此同一台步进电动机采用不同的通电方式可以有不同的拍数对应运行时的步距角也不同 此外六拍运行方式每一拍也总有一相控制绕组持续通电也具有电磁阻尼作用电机工作也

12、比较平稳 以上这种结构形式的反应式步进电动机它的步距角较大常常满足不了系统精度的要求所 以大多数采用如图 4-1 所示的定子磁极上带有小齿转子齿数很多的反应式结构其步距角可以 做得很小下面进一步说明它的工作原理 图 4-1 所示的是最常见的一种小步距角的三相反应式步进电动机定子每个极面上有 5 个齿 转子上均匀分布 40 个齿定转子的齿宽和齿距都相同当 A 相控制绕组通电时转子受到反应转 矩的作用使转子齿的轴线和定子 AA极下齿的轴线对齐因转子上共有 40 个齿其齿距角为 5 360/40=9定子每个极距所占的齿数为 3 2 6 6 40 =不是整数如图 4-6 所示因此当定子 A 相 极下定

13、转子齿对齐时定子 B 相极和 C 相极下的齿和转子齿依次有 1/3 齿距的错位即 3同样 当 A 相断电B 相控制绕组通电时在反应转矩的作用下转子按逆时针方向转过 3使转子齿的 轴线和定子 B 相极下齿的轴线对齐这时定子 C 相极和 A 相极下的齿和转子齿又依次错开 1/3 齿 距依次类推若继续按单三拍的顺序通电转子就按逆时针方向一步一步地转动步距角为 3 当然改变通电顺序即按 ACBA电机按顺时针方向反转 图 4-6 定转子展开图A 相绕组通电 若采用三相单双六拍的通电方式运行时和前面分析的道理完全一样步距角也减小一半为 1.5 通过以上分析可知转子的齿数不能任意选取因为在同一相的几个磁极下

14、定转子齿应同时 对齐或同时错开才能使几个磁极的作用相加产生足够的反应转矩所以转子齿数应是定子磁极 的偶数倍另外在不同相的磁极下定转子相对位置应依次错开 1/m 齿距这样才能在连续改变 通电状态下获得连续不断的运动否则当某一相控制绕组通电时转子齿都将处于磁路的磁阻 最小的位置上各相绕组轮流通电时转子将一直处于静止状态电动机不能正常运行为此要 求两相邻相磁极轴线之间转子的齿数应为整数加或减 1/m即 m K mp Zr1 2 = (4-1) 式中K 为正整数Zr为转子的齿数2p 为一相绕组通电时在圆周上形成的磁极数 如果以 N 表示步进电动机运行的拍数则转子经过 N 步将转过一个齿距每转一圈即 3

15、60 机械角需要走 NZr步步距角为 r S NZ = 360 4-2 CmN = 式中C 为通电状态系数当采用单拍或双拍方式时1=C而采用单双拍方式时2=C 由此可见增加拍数和转子的齿数可以减小步距角有利于提高控制精度增加电机的相数可 以增加拍数也可以减小步距角但相数越多电源及电机的结构越复杂造价也越高反应式步 进电动机一般做到六相个别的也有八相或更多相增加转子的齿数是减小步进电动机步距角的一 个有效途径目前所使用的步进电动机转子的齿数一般很多对相同相数的步进电动机既可采用单 拍方式也可采用单双拍方式所以同一台电机可有两个步距角如 3/1.51.5/0.751.2/0.6 等 当通电脉冲的频

16、率为 时由于转子每经过 NZr个脉冲旋转一周故步进电动机每分钟的转速 为 r NZ f n 60 = 4-3 6 式中 的单位为 HZ 可见反应式步进电动机的转速与拍数 N转子齿数 Zr及脉冲的频率有关当转子齿数一定 转速与输入脉冲的频率成正比改变脉冲的频率可以改变电机的转速 4-3 反应式步进电动机的静态特性 4-3 反应式步进电动机的静态特性 一一矩角特性(Torgue-angle characteristic) 矩角特性(Torgue-angle characteristic) 步进电动机的一相或几相控制绕组通入直流电流且不改变它的通电状态这时转子将固定于 某一平衡位置上保持不动称为静止状态简称静态在空载情况下转子的平衡位置称为初始 稳定平衡位置静态时的反应转矩叫静转矩在理想空载时静转矩为零当有扰动作用时转子偏 离初始稳定平衡位置偏离的电角度称为失调角静转矩与转子失调角的关系即)(= fT称 为矩角特性 反应式步进电动机转子转过一个齿距从磁路情况来