第11章 步进电机.ppt

11 1概述 11 2反应式步进电动机的工作原理和基本特点 11 3步进电动机的矩角特性和静态转矩 11 5步进电动机的连续脉冲运行和动特性 第11章步进电动机 11 6步进电动机的主要性能指标及技术数据 11 4步进电动机的单步运行状态 11 1概述 11 1概述 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 带动机械移动一小段距离 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 改变方向 打印机 应用 切线机 种类 有励磁式和反应式两种 两种的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 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 要求 1 在控制脉冲的控制下能迅速启动 正反转 停转及在很宽的范围内进行转速调节 2 步距角小 步距精度高 不得丢步或越步 3 动作迅速 4 输出转矩大 可直接带动负载 1 结构 步进机主要由两部分构成 定子和转子 它们均由磁性材料构成 下图为一台三相反应式步进电动机的典型结构图 其上分别有六个 四个磁极 11 2反应式步进电动机的工作原理和基本特点 基本结构 1 定子 2 转子 三相磁阻式步进电动机原理图 注意 这里的相和三相交流电中的 相 的概念不同 步进机通的是直流电脉冲 这主要是指线图的联接和组数的区别 齿距角 步进电动机的典型结构 注意 定子磁极上小齿的齿距和转子上小齿的齿距必须相等 而且转子的齿数有一定的限制 2 工作原理 一拍从一次通电到另一次通电 步距角每一拍转子转过的角度 1 m相单m拍运行 三相单三拍运行 2 m相双m拍运行 三相双三拍运行 3 m相单 双2m拍运行 三相单 双六拍运行 磁通的一个性质 尽量把自己收缩到最短 使之所经过的路径磁阻最小 1 m相单m拍运行 三相单三拍运行 通电顺序 U相 V相 W相 U相 U相通电 V相通电 W相通电 一步 两步 三步 步距角 b 30 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 b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 2 m相双m拍运行 三相双三拍运行 通电顺序 UV相 VW相 WU相 UV相通电 VW相通电 WU相通电 步距角 b 30 3 m相单 双2m拍运行 三相单 双六拍运行 通电顺序 U UV V VW W WU U 1 2 3 4 5 6 步距角 b 15 步距角 转速一个 b 转 1 zrN 圈 脉冲频率为f 每秒转 f zrN 圈 例如 三相步进电动机Zr 40 则 采用单 双三拍时 采用三相六拍时 当脉冲频率一定时 步矩角越小 电机转速越低 而输出功率越小 自锁能力停止输入脉冲时 让最后一个脉冲控制的绕组继续通入直流电 则步进电动机就能保持在固定的位置上 实现停车时转子定位 四相反应式步进电动机的结构 3 小步距角的步进电动机 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50个齿 定子仍是8个磁极 但每个磁极上也有5个齿 四相反应式步进电动机的结构 转子的齿距等于360 50 7 2 齿宽 齿槽各3 6 为使转 定子的齿对齐 定子磁极上的小齿 齿宽和齿槽和转子相同 当某相的定 转子齿对齐时 其相邻两相极下的定 转子齿错开应 1 m 齿距角 以便为下一相的齿能吸引做准备 定子一个极距所占的齿数50 2 4 6 1 4 7 2 4 1 8 当A相对齐时 与A相相邻的B相和D相各错开 1 4 t A B C D 设通电顺序为 四相八拍运行时步矩角为 1 8 t A B C D A qt A AB B BC 设通电顺序为 C CD D DA 例11 1 一台三相反应式步进电动机 采用三相六拍运行方式 转子齿数Zr 40 脉冲电源频率为800Hz 1 写出一个循环的通电顺序 2 求电动机的步距角 b 3 求电动机的转速n 4 求电动机每秒钟转过的机械角度 解 1 因为采用三相六拍运行方式 通电顺序为 U UV V VW W WU或U UW W WV V VU 2 三相六拍运行方式时 N 6 故 3 电动机的转速为 4 每秒钟转过的机械角度为 Ni b 800 1 5 1200 11 2 2基本特点根据上述的工作原理可以归纳步进电动机基本特点如下 1 步进电动机工作时 每相绕组由专门驱动电源通过 环形分配器 按一定规律轮流通电 例如一个按三相双三拍运行的环形分配器输入是一路 输出有A B C三路 若开始是A B这两路有电压 输入一个控制电脉冲后 就变成B C这两路有电压 再输入一个电脉冲 则变成C A这两路有电压 再输入一个电脉冲 又变成A B这两路有电压了 2 步进电动机这种轮流通电的方式称为 分配方式 每循环一次所包含的通电状态数称为 状态数 或 拍数 状态数等于相数的称为单拍制分配方式 如三相双三拍 四相双四拍等 状态数等于相数的两倍的称为双拍制分配方式 如三相六拍 四相八拍等 同一台电机可有多种分配方式 3 每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角 用符号 b表示 4 反应式步进电动机可以按特定指令进行角度控制 也可以进行速度控制 角度控制时 每输入一个脉冲 定子绕组就换接一次 输出轴就转过一个角度 其步数与脉冲数一致 输出轴转动的角位移量与输入脉冲数成正比 速度控制时 送入步进电动机的是连续脉冲 各相绕组不断地轮流通电 步进电机连续运转 它的转速与脉冲频率成正比 1 每相脉冲频率f 步进电动机在工作时 每相绕组要通过 环形分配器 按一定的规律轮流通电 分配方式 轮流通电方式状态数 循环一次的拍数N单拍制分配方式 N m双拍制分配方式 N 2m 不论何种分配方式 每循环一次 加在每相绕组上的脉冲个数等于1 所以 控制脉冲频率f是每相脉冲频率f 的N倍 即f Nf 几个参数 1 每相脉冲频率f Uk Ua Ub Uc 1 2 3 4 3拍 所以 控制脉冲频率f是每相脉冲频率f 的N倍 即f Nf t 5 6 7 8 A AB B BC 设通电顺序为 C CA 不论何种分配方式 每循环一次 加在每相绕组上的脉冲个数等于1 2 步距角 be 因一个通电循环转过一个齿距角 故当运行拍数为 时 步距角 b t N 齿距角 t 360o ZR 所以步距角 若把转子齿数视为转子极对数 则一个齿距就对应360o电角度 拍一个循环 即走过一个齿距角 所以步距角 运行拍数N km k 1 2 m为相数 b 360o NZR 机械角 be 360o N 电角度 用电角度表示的步距角与齿数无关 步距角有机械角度和电角度两种表示方法 be 360o N ZR ZR bZR 两者的关系为 11 3反应式步进电动机的静态特性 在反应式步进电动机的控制绕组中通入恒定直流 且不改变通电状态 此种工作状态称为静态 1 初始稳定位置空载 绕组通以直流时转子的最后稳定平衡位置 2 失调角 e转子偏离初始稳定位置时的电角度 一个齿距对应360o电角度 3 静态特性 控制绕组通入恒定直流 且不改变通电状态时 步进电动机的静转矩T与转子失调角 e的函数关系称为静态特性 或称矩角特性 虽然步进电动机总是处于动态下运行 但静态特性是分析动态运行的基础 11 3 1单相控制时的矩角特性1 静态转矩 定性分析 e 0o 只有径向磁拉力 无切向磁拉力 故不会产生转矩 即T 0 e 0o 0o e 90o 除受径向拉力外 还受切向拉力 故产生转矩T e 90o转子所受切向拉力达最大 T Tjm F 2ZsZRlG1F WI为每相绕组的磁动势 G1为气隙比磁导的基波幅值 e增加 磁力线扭曲严重 径向拉力减小而切向拉力增加 所以T增大 的方向与偏转方向相反 Zs为定子每极下小齿 ZR为转子齿 l为铁心长度 Tjm与磁路结构 绕组匝数和通入的电流大小等因素有关 90o e 180o 虽然磁力线扭曲更严重 但由于磁阻显著变大 进入小齿的磁力线减小 所以随着 e的增加 转矩反而下降 但方向不变 e 180o定子齿对准转子槽 转子受到定子相邻两个齿大小相等 方向相反的磁拉力作用 故 0 若 e超过180o 则转子3 号齿数将摆脱定子3号齿 进入定子2号齿的吸引范围 或者说转子就不会回到原来的稳定平衡位置 而是进入一个新的稳定平衡位置 所以在一周内 转子有ZR个稳定的平衡位置 用同样的方法可以分析 e向另一个方向偏转时的情况 2 静态特性 矩角特性 分析 矩角特性大致是一条正弦曲线 T Fd2ZsZRlG1sin e Tjmsin e N m 负号说明T的方向与 e增加的方向相反 外力使转子偏离原点 只要不超过 180o 一旦外力取消 在T的作用下 转子将回到初始稳定平衡位置 负载时 静稳定区域将减小 1 每相脉冲频率f 步进电动机在工作时 每相绕组要通过 环形分配器 按一定的规律轮流通电 分配方式 轮流通电方式状态数 循环一次的拍数N单拍制分配方式 N m双拍制分配方式 N 2m 几个参数 1 每相脉冲频率f Uk Ua Ub Uc 1 2 3 4 6拍 所以 控制脉冲频率f是每相脉冲频率f 的N倍 即f Nf t 5 6 7 8 A AB B BC 设通电顺序为 C CA 不论何种分配方式 每循环一次 加在每相绕组上的脉冲个数等于1 静态特性 矩角特性 分析 矩角特性大致是一条正弦曲线 T Fd2ZsZRlG1sin e Tjmsin e N m 负号说明T的方向与 e增加的方向相反 外力使转子偏离原点 只要不超过 180o 一旦外力取消 在T的作用下 转子将回到初始稳定平衡位置 负载时 静稳定区域将减小 11 3 2多相控制下的矩角特性 由Tjm F 2ZsZRlG1可知Tjm F 2 IW 2所以多相通电时的Tjm与单相通电时不同 当磁路不饱和时 多相通电的矩角特性可用叠加原理求得 1 三相步进电动机 两相通电一个通电循环 电动机转过一个齿距角 在单拍制分配下 m拍为一个循环故一步转过1 m齿距角 用电角度表示就是360o m 将 e的坐标取在A相磁极的中心线上则A相通电时的矩角特性 TA Tjmsin e而B相通电时的矩角特性 TB Tjmsin e 120o 当AB相同时通电时 TAB TA TB Tjmsin e 60o B A C 当一相极下的定转子齿对齐时 相邻极下的齿总是错开360o m电角度 为下一相通电能吸引做准备 矩角特性曲线 因矩角特性为正弦函数 故也可以用相量图表示 单相和两相同时通电 Tjm相等即增加通电相数不能提高最大转矩 这是三相的缺点 但六拍时能平衡运行 这是其优点 2 五相步进电动机 2 3相通电 TA Tjmsin eTB Tjmsin e 360o 5 TC Tjmsin e 2 360o 5 通电顺序为 TAB TA TB 2Tjmcos36osin e 36o TABC TA TB TC 2Tjmcos36osin e 72o AB ABC BC BCD CD EAB EA DEA DE CDE 由于2 3相同时通电产生的静转矩比单相通电大 且相等 所以采用5相10拍供电方式能平稳运行 不同通电状态时的矩角特性 每切换一次电源 就对应一条矩角特性 对应不同通电状态的矩角特性的总和 称为矩角特性族 3 m相步进电动机 n相通电 T1 Tjmsin eT2 Tjmsin e be T3 Tjmsin e 2 be Tn Tjmsin e n 1 be T1 n i 1 n Ti Tjm sin be sin 2 n be sin e 2 n 1 be 单拍制分配方式时的步距角 电角度或电弧度 2 多相通电时的最大转矩 m 5 若两相绕组同时通电 n 2 若三相绕组同时通电 n 3 则 一般而言 除了三相外 多相电机的多相通电都能提高输出转矩 故一般功率较大的步进电动机 称为功率步进电动机 都采用大于三相的电动机 而且是多相通电的分配方式 11 4反应式步进电动机的单步动态特性 步进电动机在外加脉冲下工作 脉冲频率不同 电动机的运行性能也不同 常按频率高低分成三个区段进行分析 脉冲频率极低的步进运行输入绕组的控制脉冲间隔时间大于步进电动机的过渡过程时间 即为步进运行状态或单步运行 高频脉冲的连续运行一步尚未走完 下一脉冲接着加上 此时转子不是作步进运动 而是处于连续运行状态 介于上述脉冲频率之间的运行 11 4 1单步运行状态时的动态特性 1 动稳定区和稳定裕度 1 动稳定区 指步进电动机从一种通电状态换接到另一种通电状态时 不至引起失步的区域 设初始状态的矩角特性为曲线 n 改变通电状态 矩角特性变为曲线 n 1 对应a点的转矩使转子前进一步 be e be 为空载动稳定区 be e 0的范围为 稳定裕度 改变通电状态时 转子只有位于 be be 之间 才能运动到新稳定平衡点O 2 m 反应式步进电机的相数必须大于2 单拍制时 y be 步矩角小 稳定裕度大 运行稳定性好 2 最大负载能力 即起动转矩 负载转矩为TL时 A相通电时 转子稳定于a点 通电状态由A B瞬间 转子位置来不及改变 转矩对应TB曲线上的b 点 因TB ea TL 所以转子加速并向 e增大的方向运动 最后达到新的稳定平衡位置b点 若负载转矩为T L 则稳定平衡位置为a 尽管Tjm T L 但却不能带动负载T L作步进运行 只能在静态下保持稳定 步进电动机能带动的最大负载转矩比最大静转矩小 b 通电状态改变瞬间 新的转矩对应TB曲线上的b 点 因TB ea T L 故转子不能达到新的稳定平衡点b 而是向 e减少的方向滑动 起动转矩Tq的求法 Tq Tjmsin be 2 单拍制N m 双拍制N 2m 由相邻两条矩角特性的交点来确定 Tq是步进电机作单步运行时的极限负载能力 也称起动转矩 单拍制时 正常结构的反应式步进电动机最小相数必须是大于3 若相邻矩角特性的幅值不等 不能用上式计算起动转矩 Tq与矩角特性的曲线的形状有关 步进电动机的理想矩角特性应为矩形波 这样Tq Tjm 拍数越多 步矩角越小 Tq越大 11 4 2转子的振荡现象 改变通电状态 由于惯性的作用 步进电动机的转子不是单调地趋向新平行位置 而是要经历一个振荡过程后 才能稳定在新的平衡位置上 如果在运动中无阻尼及其它能量损耗 则电机就环绕新的平衡位置来回作不衰减振荡 称自由振荡 自由振荡的幅值为步距角 be 若振荡角频率用 0表示 则振荡频率和周期为 自由振荡角频率与振荡的幅值有关 N大 be小 振荡幅度 be 小 振荡频率f0 高 当转子在平衡位置附近作微小振荡时 其振荡的角频率称为固有振荡角频率 用 0表示 0由电机本身的电气和机械参数决定 根据运动方程可求得 1 由于轴上的摩擦 风阻 内部存在电阻尼等因素 转子的振荡总是衰减的 阻尼越大 衰减越快 最后停止在新的稳定平衡位置 振荡现象影响了系统的精度 带来了振动及噪音 甚至使转子失步 为使振荡衰减得快 在步进电动机中一般要装特殊的阻尼器 11 7步进电动机主要性能指标 1 最大静转矩Tjmax最大静转矩是指步进电动机在规定的通电相数下矩角特性上的转矩最大值 绕组电流越大 最大静转矩也越大 如图11 46所示 通常技术数据中所规定的最大静转矩是指每相绕组通上额定电流时所得的值 一般说来 最大静转矩较大的电机 可以带动较大的负载 负载转矩和最大静转矩的比值通常取为0 3 0 5左右 即TL 0 3 0 5 Tjmax 图11 46最大静转矩Tjmax 按最大静转矩的值可以把步进电动机分为伺服步进电动机和功率步进电动机 前者输出力矩较小 有时需要经过液压力矩放大器或伺服功率放大系统放大后再去带动负载 而功率步进电动机的最大静转矩一般大于5N m 它不需要力矩放大装置就能直接带动负载运动 简化了系统 提高了传动的精度 提高输出转矩 制造功率步进电动机是当前步进电动机发展方向之一 2 步距角 b每输入一个脉冲信号时转子转过的角度称为步距角 步距角大小直接影响步进电动机的起动和运行频率 外型尺寸相同的电机 步距角小的往往起动及运行频率比较高 但转速和输出功率不一定高 步进电动机驱动对象多是直线运动 需加装如滚珠丝杠等机械装置将旋转变为直线运动 步距角 b可根据系统要求的脉冲当量 每一脉冲步进电动机带动负载移动的直线位移量 和丝杠螺距确定 3 静态步距角误差 b静态步距角误差即实际的步距角与理论的步距角之间的差值 通常用理论步距角的百分数或绝对值来衡量 静态步距角误差小 表示电机精度高 b通常是在空载情况下测量的 4 起动频率fq和起动矩频特性 1 含义 电机在一定的负载转矩下 能够不失步地起动的脉冲最高频率称为起动频率 或突跳频率 2 意义 衡量快速性的重要技术指标 3 指标分空载起动频率fq0和负载起动频率fqL fqL比fq0低得多 原因 电动机在起动时 电磁转矩除克服负载阻转矩TL外 还要保证一定的加速转矩J d2 dt2 所以负担比连续运转时为重 起动频率稍高 转速就跟不上 发生失步 连续稳定运行时 加速度很小 电动机能随频率的升高正常升速 4 起动频率与负载大小有关指标分空载起动频率fq0和负载起动频率fqL 起动频率fq比连续运行频率fy低得多 产品目录上一般都有空载起动频率的数据 但在实际使用时 进电动机大都要在带负载的情况下起动 这时 负载起动频率是一个重要指标 5 运行频率f