第五章_步进电机

第五章,步进电动机,第一节 概述,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，可改变转动方向。,区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。,种类：励磁式和反应式两种。,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。,三相反应式步进电动机的原理结构图如下：,A,定子内圆周 均匀分布着六个 磁极，磁极上有 励磁绕组，每两 个相对的绕组组 成一相。转子有 四个齿。,定子,转子,第二节 结构和工作原理,1.三相单三拍,A相绕组通电，B、C相 不通电。由于在磁场作用下， 转子总是力图旋转到磁阻最 小的位置，故在这种情况下， 转子必然转到左图所示位置： 1、3齿与A、A极对齐。,动画,同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4 齿和B、B 磁极轴线对齐；当C相通电时，转子 再转过30角，1、3齿和C、C磁极轴线对齐。,这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。,按AB C A 的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30(步距角)，每个通电循环周期(3拍)转过90(一个齿距角)。,2. 三相六拍,按AAB B BC C CA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。,A相通电，转子1、 3齿与A、A 对齐。,A、B相同时通电， A、A 磁极拉住1、3齿，B、B 磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。,B 相通电，转子2、 4齿与B、B 对齐,又转 过15。,B、C相同时通电， C 、C 磁极拉住1、3 齿，B、B 磁极拉住 2、4齿，转子再转过 15。,三相反应式步进电动机的一个通电循环周 期如下：AAB B BC C CA，每个循 环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角）， 一个通电循环周期(6拍)转子转过90 (齿距角)。,与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更 小，更适用于需要精确定位的控制系统中。,3. 三相双三拍,按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通 电。每拍有两相绕组同时通电。,与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循 环周期也分为三拍。每拍转子转过30 (步距角)， 一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。,从以上对步进电机三种驱动方式的分析可 得步距角计算公式：,实用步进电机的步距角多为3和1.5 。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，如教材图10.4.4所示。图中转子表面有40个齿，,齿距角是9；定子仍是 6个磁极，但每个磁极表面加工有五个和转子一样的齿。,步进电动机的应用非常广泛，如各种数控 机床、自动绘图仪、机器人等。,应用：,一、 运行特性及影响因素 基本特点 工作时的步数或转速（角度控制或速度控制）只与控制脉冲同步，而与电压、负载、温度、冲击（环境条件）等因素无关。 按控制要求进行启动、停止、反转或改变速度。 应用广泛（在数字控制系统中）。,第三节运行特性,2. 矩角特性 反映步进电动机电磁转距T随偏转角 变化的关系。 初始平衡位置定子一相绕组通电，转子无负载转矩，转子齿与通电相磁极上小齿对齐。 转子偏转角 （空间角）转子齿偏离初始平衡位置的角度（转子有负载作用，电磁转矩与负载转矩平衡）。 电角度 空间角度的Z倍，即 。 矩角特性曲线 。,近似一条正弦曲线。 时，T达到最大静转矩 （定、转子齿错开1/4齿距）。 反映了步进电动机带负载的能力（负载转矩（0.30.5） ）。 “稳定运行”,3. 脉冲信号频率对运行的影响,(a) 频率很低（接近矩形波）； (b) 频率增高（波形畸变）； (c) 频率很高（I 下降到 I/ ）。 故 过高使步进电动机 启动不起来； 运行时失步而停下。,4. 转子机械惯性对运行的影响 受机械惯性作用，在启动阶段，转子落后于应转过的角度，一般会跟上来，严重（ ）时会启动不起来。 在运转时，因惯性作用，经过几次振荡后才停下来，严重时会引起失步。 措施：采用阻尼方法，消除或减弱步进电机的振荡。,二、 主要性能指标和注意事项 主要性能指标 1) 步距角 步进电动机的主要性能指标之一，它直接影响启动和运行频率。 式中： 传动比； 负载轴要求的最小位移增量（或称脉冲当量）。 2) 最大静转矩 式中： 步进电动机启动转矩； 最大静负载转矩。 通常取 。,3) 空载启动频率 步进电动机在空载情况下，不失步启动所允许的最高频率。 在负载情况下，不失步启动所允许的最高频率随负载的增加而显著下降。 4) 连续运行频率 当步进电动机运行频率连续上升时，电动机不失步运行的最高频率。 矩频特性是指在连续运行状态下，步进电动机的电磁力矩随频率的升高而急剧下降的特性。 注： 与负载有关；在同样负载下， 。,5) 精度用一周内最大的步距角误差值表示。 步距精度 式中： 负载轴上所允许的角度误差。 6) 输入电压U、输入电流I和相数m三项指标与驱动电源有关。,2. 注意事项 驱动电源的优劣对控制系统的运行影响极大。 若负载转动惯量较大，则在低频下启动，再上升到工作频率；停车时从工