任务5步进电动机及驱动系统.ppt

任务5 步进电动机及驱动系统2,广东岭南职业技术学院 现代制造学院 机电一体化教研室,知识目标：,掌握混合式步进电动机的工作原理、特性；,任务5 步进电动机及驱动系统2,能力目标：,提高对步进电动机及驱动技术的认知。,混合式步进电动机的工作原理、特性。,重点难点：,一、混合式步进电机特点 二、混合式步进电机结构及工作原理 三、步进电机的主要特性：,主要内容,步进电机的分类：,按转矩产生的原理可分为: 1.反应式步进电机; 2.永磁式步进电机; 3.混合式步进电机； 从电流的极性上可分为: 1.单极性步进电机; 2.双极性步进电机,一、混合式步进电机特点,混合式步进电动机(Hybrid，HB)，集反应式和永磁式与一体，兼有两者的优点。 输出转矩较永磁式大（消耗功率反较小）；步距角较永磁式小（一般为1.8度）；断电时有定位转矩；启动和运行频率较高；,混合式的优点：步距角小、转矩大、电流小、动态性能好。 目前混合式步进电机在工业上应用最为广泛。,一、混合式步进电机特点,二、混合式步进电机结构及工作原理,转子由两段有齿环形转子铁心、装在转子铁心内部的环形磁钢及轴承、轴组成。 将环形磁钢沿轴向充磁，两段转子铁心的一端呈N极性，另一端呈S极性，分别称之为N段转子和S段转子。 转子铁心的径向边缘加工有小齿，一般为50个，齿距为7.2。 两段转子的小齿相互错开1/2齿距。,1. 两相混合式步进电机结构,1. 两相混合式步进电机结构,电机的定子上有八个绕有线圈的铁心磁极； 八个线圈串接成A、B两相绕组； 每个定子磁极边缘有多个小齿，一般多为五或六齿。,6,4,2. 两相混合式步进电机工作原理,定子上有四个绕有线圈的磁极（齿），相对磁极的线圈串联 成一相，共组成两相绕组。 由于同一相绕组两个线圈绕线的方向相反，通过同一电流时所产生的磁场方向也相反（相对转子而言）。 电流从相反方向流过同一相绕组产生的磁场方向也相反。 转子由两段永磁体组成，一段呈N极性，一段呈S极性。 每段永磁体有3个齿，齿距为120度，N极齿和S极齿彼此错开1/2齿距。,以每转12步的模型电机为例,线圈绕向导有误,1）不通电状态,在绕组不通电时，由于磁通总是沿磁阻最小的路径通过， 磁通从N极性转子经定子极回到S极性转子。 由于转子磁场的吸引作用，当外力力图使轴转动时，会有一个反向力矩阻止这种转动，称为自锁（detent)力矩。,2）单四拍工作方式,初始状态，(上一周期)A相通电产生保持力矩； B相通电，定子磁场旋转90度，吸引转子旋转1/4齿距（30度）； /A 相/B相 A相通电,定子磁场各旋转90度，各吸引转子旋转1/4齿距（30度）； 4步一个循环后共转过一个齿距(120度)，12步后转子旋转一周。 每一次仅一相绕组通电，四拍一个循环，称之为单四拍工作方式,3）双四拍工作方式,初始状态， A相、B相同时通电，由于两个定子齿的吸引，转子移动1/8齿距15度，停在一个中间的位置； B/A相通电，定子磁场旋转90度吸引转子旋转1/4齿距(30度)； /A/B、/BA、AB各相通电，定子磁场各旋转90度，各吸引转子旋转1/4齿距30度； 4步一个循环后共转过一个齿距120度， 12步后转子旋转一周； 每一次两相绕组通电，四拍一个循环，称之为双四拍工作方式。 因为两个线圈同时通电，产生的力矩比单四拍要大。,在单四拍工作方式基础上，在每两个单拍之间插入一个双拍工作状态，就成为单、双八拍工作方式。 交替使一个线圈和两个线圈通电，每一步转子旋转1/8齿距即15度，经过这8拍以后，转子转过一个齿距120度。 旋转一周需24步。,4）单、双八拍工作方式,单、双八拍工作方式的缺点是产生“强、弱步”的现象，可利用的力矩被弱步力矩所限制，力矩的波动较大。 为了消除“强、弱步”现象，并使电机按强步力矩输出，可以在弱步时绕组通以两倍的电流，对弱步力矩进行补偿。 优点是步距角小，电机运行将更平稳。,4）单、双八拍工作方式,5）微步距工作方式,在双四拍工作方式中，当两相绕组通以相等的电流时，电机转子停在一个中间的位置。如果两相绕组电流不等，转子位置将朝电流大的定子极方向偏移。 利用这个现象我们可使电机工作在微步距方式：将两相绕组中的电流分别按正弦和余弦的轮廓呈阶梯式变化。则每个整步距（0最大值）分成若干微步距（也称细分步距）。,ib,4细分方式,8细分方式,归纳总结,在整步工作方式中，当两相绕组的电流变化1个周期，走4步，电机转子转过一个齿距角；走（4X转子齿数）步，电机转子转过一圈。此时的步距角就是电机的标称值。 在微步距（细分）工作方式：当两相绕组的电流变化1个周期，要走（4X细分数）步，电机转子转过一个齿距角；走（ 4X细分数X转子齿数）步，电机转子转过一圈。 微步距（细分）方式的步距角更小，将使电机运行更加平稳。,ib,一般称单四拍和双四拍工作方式为整步距方式；单、双八拍工作方式为半步距方式。（可分别理解为1细分、2细分方式） 步进电机中定子磁场和转子磁场的相互作用产生转矩： 转子磁势是由转子磁钢产生的，它是一个常数。 所以当定子线圈匝数、转子磁钢磁性能及定、转子铁心材料、尺寸已确定的情况下，电机产生的力矩由定子绕组电流决定。,6）实际电机的工作原理,线圈1、5、3、7串联组成A相绕组；线 圈2、6、4、8串联组成B相绕组。 每相四个绕组的绕线方向不尽同，通电 后每个绕组所在定子磁极极性不尽同。 假定线圈1、5所在的磁极为N极，则线 圈3、7所在的磁极为S极。,6,4,定子磁极上有40个（或48个）齿，齿距为7.2 两段转子铁心上各有50小齿，齿距为7.2，但两段转子的小齿相互错开1/2齿距 定子齿和转子齿齿距相等。,模型电机和实际电机的比较,模型电机 实际电机 转子齿数 3 50 转子齿距 120度 7.2度 整步 距 1/4齿距30度 1/4齿距1.8度 半步距 1/8齿距15度 1/8齿距0.9度 整步一周节拍数 12 200 半步一周节拍数 24 400,转子每步转过的空间机械角度，即步距角为 =360/Z*N 其中 Z-转子齿数，N-运行拍数。 步进电机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角存在有步距误差。连续走若干步时，上述误差形成累积值。转子转过一圈后，回至上一转的稳定位置，因此步进电机步距的误差不会长期积累。 步进电机步距的积累误差，是指一转范围内步距积累误差的最大值，步距误差和积累误差通常用度、分或者步距角的百分比表示。影响步距误差和积累误差的主要因素有: 齿与磁极的分度精度；铁心迭压及装配精度；各相矩角特性之间差别的大小；气隙的不均匀程度等。,三、 步进电机的主要特性：,1、 步距角和步距误差：,所谓静态是指电机不改变通电状态，转子不动时的 工作状态。空载时，步进电杌某相通以直流电流时，该相对 应的定、转子齿对齐，这时转子无转矩输出。如在电机轴上 加一顺时针方向的负载转矩，步进电机转子则按顺时针方向 转过一个小角度，称为失调角,这时转子电磁转矩T与负载 转矩相等。矩角特性是描述步进电机稳态时，电磁转矩与失 调角之间关系的曲线，或称为静转矩特性。,T,步进电机矩角特性,2、静态矩角特性和最大静转矩特性,矩频特性是用来描述步进电机连续稳定运行时输出转 矩写连续运行频率之间的关系曲线。矩频特性曲线上每一频 率所对应的转矩称为动态转矩。动态转矩除了和步进电机结 构及材料有关外，还写步进电机绕组连接、驱动电路、驱动 电压有密切的关系。下图是混合式步进电机连续运行时的典 型的矩频特性曲线。,步进电机矩频特性,3、步进电机矩频特性：,6,4,4、测定步进电机的空载起动频率:,拆去光电编码器,让步进电机空载,在步进电机轴伸处作一标记,由世纪星设置步进电机整数转的位移(例如1.转脉冲数/转)和速度,且加减速时间常数也设置为零.步进电机处于锁定状态下,执行上述命令,步进电机突然起动并突然停止,从轴伸标记判断步进电机是否失步.若起动成功,则提高速度参数再测试,直至某一临界速度,并由此速度换算为步数/秒,即为电机的空载起动频率.,5、启动惯频特性,在负载转矩ML=0的条件下，步进电动机由静止状态突然启动，不丢步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，称为启动频率或突跳频率，超过此值就不能正常启动。启动频率与机械系统的转动惯量有关，包括步进电动机转子的转动惯量，加上其它运动