《步进电动机》PPT课件.ppt

第11章步进电动机 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 4电源及分配方式对电机性能的影响 11 1概述 步进电动机又称为脉冲电动机 是数字控制系统中的一种执行元件 其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移 即给一个脉冲电信号 电动机就转动一个角度或前进一步 如图11 1所示 图11 1步进电动机的功用 步进电动机的角位移量 或线位移量s与脉冲数k成正比 如图11 2 a 所示 它的转速n 或线速度v与脉冲频率f成正比 如图11 2 b 所示 步进电机最有意义的一个优点就是在开环系统里可以实现精确的控制 开环控制意味着不需要关于 转子 位置方面的反馈信息 这种控制避免了使用昂贵的传感器以及象光学编码器这样的反馈设备 因为只需要跟踪输入的步进脉冲就可以知道你 转子 的位置 使控制系统大为简化 此外 步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速 能够快速启动 反转和制动 不需要变换能直接将数字脉冲信号转换为角位移 很适合采用微型计算机控制 结构简单 可靠性较高 因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命 图11 2步进电动机的控制特性 与伺服电机相比 步进电机的缺点是效率较低 发热大 有时会 失步 伺服电机均为闭环控制 驱动器实时监测电机位置 能有效保证系统的安全 不存在象步进电机的丢步问题 如果控制不当转速不够平稳 步距角较大 特别是在低速时 甚至会出现震荡现象 难以运转到较高的转速 步进电机一般工作在1000r min以下 而伺服电机可以达到10000rpm以上 步进电机的用途 适用于中 小型机床和速度精度要求不高的地方 11 2反应式步进电动机的工作原理和基本特点 11 2 1典型结构和工作原理按励磁方式分类 步进电动机可分为反应式 永磁式和感应子式 其中反应式步进电动机用得比较普遍 结构也较简单 所以着重分析这类电机 图11 5四相反应式步进电动机的结构 反应式步进电动机又称为磁阻式步进电动机 其典型结构如图11 5所示 这是一台四相电机 定子铁心由硅钢片叠成 定子上有8个磁极 大齿 每个磁极上又有许多小齿 四相反应式步进电动机共有4套定子控制绕组 绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相 转子也是由叠片铁心构成 沿圆周有很多小齿 转子上没有绕组 根据工作要求 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 图中转子齿数为50个 定子每个磁极上小齿数为5个 反应式步进电动机的工作原理与反应式同步电动机一样 也是利用磁路磁阻最小原则所引起的反应转矩而转动的 为了便于说清问题 先以一个最简单的三相反应式步进电动机为例 图11 6是一台三相反应式步进电动机 定子有6个极 不带小齿 为什么有的带小齿有的不带 每两个相对的极上绕有一相控制绕组 转子只有4个大齿 大齿宽等于定子的极靴宽 图11 6三相单三拍运行 a A相接通 b B相接通 c C相接通 当A相控制绕组通电 而B相和C相都不通电时 由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点 所以转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐 同理 当断开A相接通B相时 转子便按逆时针方向转过30 使转子齿2和4的轴线与定子B极轴线对齐 断开B相 接通C相 则转子再转过30 使转子齿1和3的轴线与C极轴线对齐 从而实现逆时针旋转 如此按A B C A 顺序不断接通和断开控制绕组 转子就会一步一步地按逆时针方向连续转动 如图11 6所示 其转速取决于各控制绕组通电和断电的频率 即输入的脉冲频率 旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序 如上述电机通电次序改为A C B A 则电机转向相反 变为按顺时针方向转动 这种按A B C A 方式运行的称为三相单三拍运行 所谓 三相 是指此步进电动机具有三相定子绕组 几相 就需要几套驱动电路 单 是指每次只有一相绕组通电 三拍 指三次换接为一个循环 定子绕组通电一次称为一拍 通过设计不同的拍数 可以选择合适的 步距 即最小跳步的角度 例如 如果三相三拍的步距是3 那么三相六拍的接法时 步距为1 5 第四次换接重复第一次的情况 除了这种运行方式外 三相步进电动机还可以三相六拍和三相双三拍运行 三相六拍运行的供电方式是A AB B BC C CA A 这时 每一循环换接6次 总共有6种通电状态 这6种通电状态中有时只有一相绕组通电 如A相 有时有两相绕组同时通电 如A相和B相 图11 7表示按这种方式对控制绕组供电时转子位置和磁通分布的图形 图11 7三相六拍运行 1 a A相通电 b A B相通电 c B相通电 d B C相通电 图11 7三相六拍运行 2 a A相通电 b A B相通电 c B相通电 d B C相通电 图11 8A相通电时定 转子齿的相对位置 如果运行方式改为四相八拍 其通电方式为A AB B BC C CD D DA A 即单相通电和两相通电相间时 与上面三相步进电动机道理完全一样 当A相通电转到A B两相同时通电时 定 转子齿的相对位置由图11 8所示的位置变为图11 9那样的位置 只画出A B两个极下的齿 转子按顺时针方向只转过1 8齿距角 即0 9 A极和B极下的齿轴线与转子齿轴线都还错开1 8齿距角 转子受到两个极的作用力矩大小相等 但方向相反 故仍处于平衡 当B相一相通电时 转子齿轴线与B极下齿轴线相重合 转子按顺时针方向又转过1 8齿距角 这样继续下去 每换接一次绕组 转子转过1 8齿距角 可见四相八拍运行时的步距角比四相四拍运行时也小一半 当步进电动机运行方式为四相双四拍 即AB BC CD DA AB 方式通电时 步距角与四相单四拍运行时一样为1 4齿距角 即1 8 图11 9A B两相通电时定 转子齿的相对位置 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 环形分配器输出的各路脉冲电压信号 经过各自的放大器放大后送入步进电动机的各相绕组 使步进电动机一步步转动 图11 10表示三相步进电动机控制方框图 图 11 11 表示三相双三拍运行时控制电脉冲及各相控制电压随时间变化的波形图 图11 10控制方框图 图11 11三相双三拍运行时各相控制电压波形图 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 不管分配方式如何 每循环一次 控制电脉冲Uk的个数总等于拍数N 而加在每相绕组上的脉冲电压 或电流 个数却等于1 因而控制电脉冲频率f是每相脉冲电压 或电流 频率f相的N倍 即 2 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 s表示 从上面分析可见 当电机按四相单四拍运行 以图11 5结构为例 即按A B C D A 顺序通电时 若开始是A相通电 转子齿轴线与A相磁极的齿轴线对齐 换接一次绕组 转子转过的角度为1 4齿距角 转子需要走4步 才转过一个齿距角 此时转子齿轴线又重新与A相磁极的齿轴线对齐 当电机在四相八拍运行 即按A AB B BC C CD D DA 顺序通电时 换接一次绕组 转子转过的角度为1 8齿距角 转子需要走8步才转过一个齿距角 由于转子相邻两齿间的夹角 即齿距角为 式中 Zr为转子齿数 所以转子每步转过的空间角度 机械角度 即步距角为 11 1 式中 N为运行拍数 N km k 1 2 m为相数 为了提高工作精度 就要求步距角很小 由式 11 1 可见 要减小步距角可以增加拍数N 相数增加相当于拍数增加 但相数越多 电源及电机的结构也越复杂 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数 对同一相数既可以采用单拍制 也可采用双拍制 采用双拍制时步距角减小一半 所以一台步进电动机可有两个步距角 如1 5 0 75 1 2 0 6 3 1 5 等 增加转子齿数Zr 步距角也可减小 所以反应式步进电动机的转子齿数一般是很多的 通常反应式步进电动机的步距角为零点几度到几度 如果将转子齿数看作为转子的极对数 那末一个齿就对应360 电角度 或2 电弧度 即用电角度 或电弧度 表示的齿距角为 te 360 或 te 2 rad 相应的步距角为 11 2 或 11 3 所以当拍数一定时 不论转子齿数多少 用电角度表示的步距角均相同 考虑到式 11 1 用电角度表示的步距角 11 4 可见 与一般电机一样 电角度等于机械角度乘上极对数 这里是转子齿数 3 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 由式 11 1 可见 每输入一个脉冲 转子转过的角度是整个圆周角的1 ZrN 也就是转过1 ZrN 转 因此每分钟转子所转过的圆周数 即转速为 式中 Zr为转子齿数 f为控制脉冲的频率 即每秒输入的脉冲数 11 5 由式 11 5 可见 反应式步进电动机转速取决于脉冲频率 转子齿数和拍数 而与电压 负载 温度等因素无关 当转子齿数一定时 转子旋转速度与输入脉冲频率成正比 或者说其转速和脉冲频率同步 改变脉冲频率可以改变转速 故可进行无级调速 调速范围很宽 另外 若改变通电顺序 即改变定子磁场旋转的方向 就可以控制电机正转或反转 所以 步进电动机是用电脉冲进行控制的电机 改变电脉冲输入的情况 就可方便地控制它 使它快速启动 反转 制动或改变转速 4 步进电机具有自锁能力 当控制电脉冲停止输入 而让最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时 电机可以保持在固定的位置上 即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上 这样 步进电动机可以实现停车时转子定位 综上所述 由于步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响 在允许负载范围内 也不受环境条件 温度 压力 冲击 振动等 变化的影响 只与控制脉冲同步 同时它又能按照控制的要求 实现启动 停止 反转或改变转速 因此 步进电动机被广泛地应用于各种数字控制系统中 11 3步进电动机的静态运行特性 矩角特性和静态转矩 当控制脉冲不断送入 各相绕组按照一定程序轮流通电时 步进电动机转子就一步步地转动 当控制脉冲停止时 如果某些相绕组仍通入恒定不变的电流 可称为直通电流 那末转子将固定于某一位置上保持不动 称为静止状态 静止状态时 即使有一个小的扰动 使转子偏离此位置 磁拉力也能把转子拉回来 对于多相步进电动机 定子控制绕组可以是一相通电 也可以是几相同时通电 下面分别进行讨论 11 3 1单相通电单相通电时 通电相极下的齿产生转矩 这些齿与转子齿的相对位置及所产生的转矩都是相同的 故可以用一对定 转子齿的相对位置来表示转子位置 电机总的转矩等于通电相极下各个定子齿所产生的转矩之和 图11 12定 转子齿的相对位置 图11 12表示定子一个齿与转子一个齿的相对位置 定子齿轴线与转子齿轴线之间的夹角 e为电角度表示的转子失调角 以电角度来描述 t为一个齿距对应的角度 称为齿距角 若用电角度表示 则齿距角 te 2 当失调角 e 0时 转子齿轴线和定子齿轴线重合 此时 定 转子齿之间虽有较大的吸力 但吸力是垂直于转轴的 不是圆周方向 故电机产生的转矩为0 如图11 13 a 所示 我们把 e 0 T 0的位置称稳定平衡位置 或协调位置 如果转子偏离这个位置 转过某一角度时 定 转子齿之间的吸力有了切向分量 因而形成转矩T 此称为静态转矩 随着失调角 e 顺时针方向定为正值 增加 电机产生的转矩增大 当 e 2 即1 4齿距角 时 转矩最大 转矩的方向是逆时针的 如图11 13 b 故取转矩为负值 失调角 e 即1 2齿距角 时 转子的位置正好使转子的齿轴线对准定子槽的轴线 转子槽轴线对准定子齿的轴线 此时 相邻两个转子齿都受到中间那个定子齿的拉力 对转子的作用是相互平衡的 如图11 13 c 故转矩也为0 当失调角 e 时 转子齿转到下一个定子齿下 受下一个定子齿的作用 转矩的方向是使转子齿与该定子齿对齐 是顺时针方向 如图11 13 d 转矩取为正值 当 e 2 时 转子齿与下一个定子齿对齐 转矩为0 失调角 e继续增加 转矩又重复上面情况作周期性的变化 当失调角相对于协调位置以相反的方向偏移 即失调角为负值时 e 0范围内转矩的方向为顺时针 故取正值 转矩值的变化情况与上相同 故不再赘述 步进电机产生的静态转矩T随失调角 e的这种变化规律 即T f e 曲线称为步进电机的矩角特性 其形态近似正弦曲线 如图11 14所示 图中只画出失调角 e从 到 的范围 图11 13定 转子间的作用力 步进电动机矩角特性上的静态转矩最大值Tjmax 表示了步进电动机承受负载的能力 它与步进电动机很多特性的优劣有直接的关系 因此 静态转矩最大值乃是步进电动机最主要的性能指标之一 通常在技术数据中都会指明 在设计步进电动机时 往往首先以此值为根据 上面定性地讨论了单相通电时静态转矩与转子失调角的关系 下面根据机电能量转换原理推导静态转矩的数学表达式 图11 14步进电动机的矩角特性 图11 15能量转换法求转矩 设定子每相每极控制绕组匝数为N 通入电流为I 转子在某一位置 机械角度 处 转动了 角 如图11 15所示 气隙中的磁场能量变化为 Wm 则电机的静态转矩可按下式求出 若用导数表示 则 11 7 式中 Wm为电机的气隙磁场能量 当转子处于不同位置时 Wm具有不同数值 故Wm是转子位置角 的函数 气隙磁能 11 8 式中 W HB 2为单位体积的气隙磁能 V为一个极面下定 转子间气隙的体积 图11 15能量转换法求转矩 由图11 15可见 当定 转子轴向长度为l 气隙长度为 气隙平均半径为r时 与角度d 相对应的体积增量为dV l rd 故式 11 8 可表示为 因为每极下的气隙磁势F H 再考虑到通过d 所包围的气隙面积的磁通d Bds Blrd 所以 图11 15能量转换法求转矩 按磁路欧姆定律 式中 Gm为一个极面下气隙磁导 则 将此式代入式 11 7 可得静态转矩 考虑到下列关系式 式中 Zs为定子每极下的小齿数 G为气隙比磁导 即单位轴向长度 一个齿距下的气隙磁导 因而静态转矩 11 9 式中 气隙比磁导与转子齿相对于定子齿的位置有关 如转子齿与定子齿对齐时 比磁导最大 转子齿与定子槽对齐时 比磁导最小 其它位置时介于两者之间 故可认为气隙比磁导是转子位置角 e的函数 即G G e 通常可将气隙比磁导用富氏级数来表示 式中 G0 G1 G2 G3 都与齿形 齿的几何尺寸及磁路饱和度有关 可从有关资料中查得 若略去气隙比磁导中的高次谐波 可得静态转矩T IN 2ZsZRlG1sin e N m 11 10 这就是步进电机静态转矩与失调角 e的关系式 即矩角特性 如图11 14所示 当失调角 e 90 时 静态转矩为最大 即T Tjmax IN 2ZsZRlG1 N m 11 11 可见 当不计铁心饱和时 静态转矩最大值与绕组电流平方成正比 11 3 2多相通电时一般来说 多相通电时的矩角特性和最大静态转矩Tjmax与单相通电时不同 按照叠加原理 多相通电时的矩角特性近似地可以由每相各自通电时的矩角特性叠加起来求出 先以三相步进电机为例 三相步进电动机可以单相通电 也可以两相同时通电 下面推导三相步进电动机当两相通电时 如A B两相 的矩角特性 如果转子失调角 e是指A相定子齿轴线与转子齿轴线之间的夹角 那末A相通电时的矩角特性是一条通过0点的正弦曲线 假定矩角特性可近似地看作正弦形 可以用下式表示 TA Tjmaxsin e 图11 16A相和B相定子齿相对转子齿的位置 当B相也通电时 由于 e 0时的B相定子齿轴线与转子齿轴线相夹一个单拍制的步距角 这个步距角以电角度表示为 be 其值为 be te 3 120 电角度或2 3电弧度 如图11 16所示 所以B相通电时的矩角特性可表示为 TB Tjmaxsin e 120 这是一条与A相矩角特性相距120 即 te 3 的正弦曲线 当A B两相同时通电时合成矩角特性应为两者相加 即TAB TA TB Tjmaxsin e Tjmaxsin e 120 Tjmaxsin e 60 可见它是一条幅值不变 相移60 即 te 6 的正弦曲线 A相 B相及A B两相同时通电的矩角特性如图11 17 a 所示 除了用波形图表示多相通电时矩角特性外 还可用向量图来表示 如图11 17 b 所示 图11 17三相步进电动机单相 两相通电时的转矩 a 矩角特性 b 转矩向量图 图11 18五相步进电动机单相 两相 三相通电时的矩角特性 图11 19五相步进电动机转矩向量图 从上面对三相步进电动机两相通电时矩角特性的分析可以看出 两相通电时的最大静态转矩值与单相通电时的最大静态转矩值相等 也就是说 对三相步进电机来说 不能依靠增加通电相数来提高转矩 这是三相步进电机一个很大的缺点 如果不用三相 而用更多相时 多相通电是否能提高转矩呢 回答是肯定的 下面以五相电机为例进行分析 与