步进电动机(第7章).ppt

中国矿大信电学院 控制电机 第7章步进电动机 7 1反应式步进电动机的工作原理和基本特点 7 2反应式步进电动机的运行特性 7 3步进电动机主要性能指标和技术数据 7 4步进电动机的应用举例 第7章步进电动机 第7章步进电动机 本章要求 熟练掌握步进电动机的工作原理 熟悉步进电动机的基本特点 熟练掌握步进电动机的矩角特性和静态转矩 熟悉并掌握步进电动机的单步运行状态 熟练掌握步进电动机的连续脉冲运行和运动特性 熟悉步进电动机的主要性能指标 7 1反应式步进电动机的工作原理和基本特点 一 概述 步进电动机称为脉冲电动机 是数字控制系统中的一种执行元件 其作用是将脉冲电信号转换为角位移或直线位移 步进电动机角位移与脉冲k成正比 步进电动机速度与脉冲频率成正比 具有同步特性 步进电动机的驱动需要结合数字技术 计算机技术和电力电子技术 步进电动机被广泛应用于需要精确定位和定速的控制系统中 例如数控机床 绘图仪器 机器人等领域 XY操作台 恒流泵 打印机 激光排版 切线机 幻灯机 二 典型结构 步进电动机按励磁方式可分为反应式 永磁式和感应子式 其中反应式结构简单 使用普遍 右图为一台三相反应式步进电动机的典型结构图 二 工作原理 三相反应式步进电动机按通电方式的不同 每步转动不同的角度 下面以三相单三拍为例 说明其工作原理 步进电动机的工作原理是磁通总是走磁阻最小的路径 由于磁力线的扭曲而产生拖动转矩 三相步进电动机具有三相单三拍 三相六拍和三相双三拍运行状态 三相 步进电动机具有三相定子绕组 单 双 每次只有一相 单 或两相 双 绕组通电 三拍 每三次换接为一个循环 有三种通电状态 六拍 每六次换接为一个循环 有六种通电状态 A AB B BC C CA A A B C A 原理动画 三 基本特点 1 步进电动机工作时 每相绕组不是恒定的通电 而是由专门的驱动电源供给 通过 环形分配器 按一定规律轮流通电 这种通电方式称为 分配方式 不管分配方式如何 每循环一次 控制电脉冲个数总等于拍数N 而加在每相绕组上的脉冲电压个数却等于1 因而控制绕组电脉冲频率f是每相绕组脉冲电压频率f相的N倍 即 f Nf相 2 每输入一个电脉冲信号 转子转过的角度称步距角 用 b表示 ZR为转子齿数 因为电脉冲每循环一次 经过N拍 转子正好转过一个齿距 因此每一个脉冲转过1 N齿距 步距角 N km k 1 2m 相数 步距角 b为 为提高工作精度 要求步距角小 可通过增加N或ZR来实现 但N大 则m大 电机 电源结构复杂 因此通常ZR数值大 步距角 b为 下图为一台四相步进电动机 设其为四相单四拍运行 转子上共有50个齿 计算其齿距角 t和步距角 b 八拍运行 3 反应式步进电动机可进行角度控制 也可进行速度控制 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 各相绕组不断的轮流通电 步进电动机连续运转 转速与脉冲频率成正比 每输入一个脉冲 转子转过整个圆周的1 NZR 也就是转过1 NZR 转 故转速为 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 转子的转速和转向就由脉冲频率和通电顺序决定 因此 改变电脉冲输入的情况 就可方便的控制电动机的正 反转 快速启动 制动以及改变转速的大小 步进电动机的转速还可用步距角来表示 用步距角表示转速则为 n 60f NZR r min 频率f一定时 步距角越小 转速越低 电机输出功率越小 从提高加工精度上要求 应选用小的步距角 但从提高输出功率上要求 步距角又不能取的太小 一般步距角应根据系统中应用的具体情况进行选取 n f b 6or min 一台四相步进电动机 设其为四相八拍运行 转子上共有50个齿 计算n 1000r min时 控制脉冲频率 4 步进电动机具有自锁能力 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 这样 步进电动机可以实现停车时转子定位 7 2反应式步进电动机的运行特性 一 矩角特性和静态转矩 1 静止状态 控制脉冲停止时 如果某相绕组仍通入恒定不变的电流 将转子固定于某一位置上 保持不动 2 自锁 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 即 电机能可靠地锁在静止位置的功能 4 失调角 3 齿距角 一个齿距对应的角度 称为齿距角 t 其电角度相当于一对极距 即齿距角 te 2 rad 定子齿轴线与转子齿轴线之间的夹角 称为失调角 e 通常用电角度表示 e 0时的位置称稳定平衡位置或协调位置 5 单相通电的距角特性 当 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 但吸力垂直于转轴 故电机产生的转矩为0 如图1所示 单相通电时 通电相极下的齿会产生转矩 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 在外力的作用下 转动转子使 e增加 磁力线被扭曲产生电磁转矩增加 与其平衡的外转矩也增大 当 e 2 即1 4齿距角 时转矩最大 继续增加 e 电磁转矩反而减小 与其平衡的外转矩也变小 直到 e 时 外转矩又为0 当 e 时 电磁转矩改变方向 外转矩也改变方向 变为负值 当 e 3 2时 外转矩达到负的最大值 e继续增加 电磁转矩反向减小 与其平衡的外转矩也变小 直到 e 2 时 外转矩又变成0值 转子转动一个齿距 一对极距 即2 电角度 由于步进电机所产生的转矩是与外转矩相平衡的 因此上述外转矩随失调角 e变化的规律 就是步进电机产生的静态转矩T随失调角 e的变化规律 这个规律即T f e 曲线 称为步进电机的距角特性 其形态近似正弦曲线 当 e 时 转矩的方向与 e角增加的方向相同 故取转矩为正值 转子位置不同 电机产生的转矩是不同的 步进电动机距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 是步进电动机的最主要性能指标之一 现推导三相步进电动机两相同时通电时的距角特性 6 多相通电的距角特性 按叠加原理 多相通电时的矩角特性近似的可以由各自通电时的矩角特性叠加起来求出 设转子失调角 e起始点 0 在A相定子齿轴线处 则A相通电时的矩角特性是一条过0点的正弦曲线 可以用下式表示 TA Tjmaxsin e B相通电时的矩角特性也是一条正弦曲线 但其平衡位置落后A的一个步距角 电角度120 TB Tjmaxsin e 120o 当A B两相同时通电时 合成距角特性应为两者相加 即 TAB TA TB Tjmaxsin e 60o 单相 两相通电时的距角特性 转矩向量图 TA TB TAB 三相步进电动机两相同时通电时 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 对三相步进电动机来说 不能依靠增加通电相数来提高转矩 这是三相步进电动机一个很大的缺点 五相步进电动机的单相 两相 三相通电时矩角特性 若不用三相 而用更多相时 多相通电是否能提高转矩呢 五相步进电动机转矩向量图 m相电机 n相同时通电距角特性的一般表达式 m相电机 n相同时通电时转矩最大值与单相通电时转矩最大值之比 五相电动机两相通电时转矩最大值为 五相电动机三相通电时转矩最大值为 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 二 单步运行状态 1什么是单步运行状态 输入脉冲频率非常低 加第二脉冲之前 前一步已经走完 转子运行已经停止的运行状态 2步进电动机的单步运行 e T 0 TA 60o 120o TB TAB 图中失调角 e是A相定子齿轴线与转子齿轴线之间的夹角 e 0是A相定子齿轴线与转子齿轴线相重合时的转子位置 称平衡位置 空载时 转子停在 e 0位置 此时B相通电 转矩从o到a 转矩为 TBa Tjmaxsin120o T 转子从0移动到 eb 120o电角度 电机前进了一步 如果不断送入控制脉冲 电机就不断地一步一步转动 此即步进电动机空载作单步运行的情况 当电机带恒定负载时 A相通电 转子停在失调角为 ea的位置上 此时电磁转矩TA与负载转矩TL相等转子处于平衡 如果送入控制脉冲 转换到B相通电 则转子所受的有效转矩为电磁转矩TB与负载转矩TL之差 转子在此转矩的作用下转动 转子转过一个步距角120o 由 e ea转到新的平衡位置 e eb 这样 当绕组不断的换接时 电机也不断地作步进运动 步距角仍为120o电角度 通常情况下 实际步距角与理论步距角稍有偏差 3 步进电动机的最大负载能力 步进电动机的最大负载能力也称极限启动转矩 它表示步进电动机作单步运行时能带动的最大负载 通常情况下 实际步距角与理论步距角稍有偏差 这个偏差以角分或理论步距角的百分数来衡量 称为静态步距角误差 b 其值越小 表示精度越高 极限启动转矩 当电机所带负载的阻转矩TL Tq时 如果开始时转子是处在平衡点a 当控制脉冲切换通电绕组是B相通电 这时对应的电磁转矩 a 点 大于负载转矩 电机就能在电磁转矩作用下转过一个步距角达到新的平衡位置 当电机所带负载的阻转矩T L Tq时 如果开始时转子是处在平衡点a1 当控制脉冲切换通电绕组是B相通电 这时对应的电磁转矩 a 1点 小于负载转矩 电机就不能作步进运动 电机以一定通电方式运行时 相邻矩角特性的交点所对应的转矩Tq是电机作单步运动所能带动的极限负载 也称为极限启动转矩 实际电机所带的负载转矩TL必须小于极限启动转矩才能运动 即TL Tq 步距角减小可使相邻距角特性位移减少 就可提高极限启动转矩Tq 增大电机的负载能力 三相单三拍极限启动转矩Tq 三相六拍极限启动转矩Tq 4 单步运行时转子振荡现象 单步运行时转子从一个平衡位置转过一个步距角到达新的平衡位置 但是由于惯性作用 转子要在新的平衡位置来回振荡 如果无阻尼作用 电机就环绕新的平衡位置来回作不衰减的振荡 此称为自由振荡 若振荡角频率用 0表示 相应的振荡频率和周期为 自由振荡角频率 0与振荡的幅值有关 当拍数多时 步距角很小 振荡的幅值很小 此时 转子在平衡位置附近作微小的振荡 这时振荡的角频率称为固有振荡角频率 用 0表示 理论上可以证明固有振荡角频率为 式中J为转动部分的转动惯量 固有振荡角频率 0是步进电机一个很重要的参数 随着拍数减少 步距角增大 自由振荡的幅值也增大 自由振荡频率就减小 比值 0 0与振荡的幅值 即步距角 的关系 实际上转子作无阻尼的自由振荡是不可能的 由于轴上的摩擦 风阻以及内部电阻等存在 单步运动时转子环绕平衡位置的振荡过程总是衰减的 阻尼越大 衰减得越快 最后仍稳定欲平衡位置附近 单步运动时所产生的振荡现象对步进电机的运行是很不利的 它影响了系统的精度 带来了振动及噪音 严重的甚至使转子丢步 为了使转子振荡衰减的快 在步进电机中往往专门设置了特殊的阻尼器 如机械摩擦阻尼器 三 连续脉冲运行和动特性 1 运行矩频特性 步进电机作单步运行时的最大允许负载转矩为Tq 但当控制脉冲频率逐步增加 电机转速逐步升高时 步进电机所能带动的最大负载转矩值逐步下降 这就是说 电机连续转动时所产生的最大输出转矩T是随着脉冲频率f的升高而减少的 T与f两者之间的关系称为步进电动机运行矩频特性 它是一条下降的曲线 步进电机定子绕组电感有延缓电流变化的特性 因而绕组的通电频率越高 电流的平均值越小 电机产生的平均转矩越小 负载能力也就大大下降了 为什么控制脉冲频率逐步增加以后 步进电机的负载能力逐步下降呢 这主要是由于定子绕组电感的影响 当转子处于静止状态时 若转子上没有任何强制作用 则稳定在坐标原点O 2 静稳定区和动稳定区 如果在外力矩作用下使转子离开平衡点 那么只要失调角在 e 范围内 去掉外力矩后 在电磁转矩作用下转子仍能回到平衡位置O点 否则转子就向前一齿或后一齿的平衡点运动 所以 e 区域称作静稳定区 如果切换通电绕组 这时矩角特性向前移动一个步距角 be be o1 此时新的平衡点为o1 对应它的静稳定区为 be be be 在换接的瞬间 转子的位置只要在这个区域内 就能趋向新的稳定平衡点 所以 be be be 区域称为动稳定区 显然 拍数越多 步距角越小 动稳定区就越接近静稳定区 3 不同频率下的连续稳定运行和运行频率 1 低频率时 步进电机在极低频率下运行时 运行情况为连续的单步运动 在有阻尼的情况下 此过程乃是一个衰减的振荡过程 由于控制脉冲的频率低 在一个周期内转子来得及把振荡衰减得差不多 并稳定于新的平衡位置或其附近 而当下一个控制脉冲来到时 电机好象又从不动的状态开始 其每一步都和单步运行一样 所以说 这时电机具有步进的特征 当控制脉冲的频率等于或接近步进电机振荡频率的1 k时 k 1 2 3 电机就会出现强烈振荡甚至失步和无法工作 这就是低频共振和低频丢步现象 先处于C相平衡位置 依此换接A B C电流 失步动画 电机出现失步 无法工作 这就是低频共振和低频丢步现象 当控制脉冲的频率等于进电机振荡频率的1 k时 k 1 2 3 如果阻尼作用不强 即使电机不发生低频失步 也会产生强烈振动 这就是步进电机低频共振现象 步进电机低频共振时 就会出现强烈振动 甚至失步而无法工作 所以一般不允许电机在共振频率下运行 为了削弱低频共振 很多电机专门设置了阻尼器 依靠阻尼器消耗振动的能量 限制振动的振幅 2 频率较高时 当电机处在高频脉冲下运行时 前一步的振动尚未达到第一次回摆最大值 下一个控制脉冲就来到 或甚至前一步振荡尚未到达第一次振荡的幅值就开始下一步 此时 电机的运行如同同步电动机一样连续地 平滑地转动 转速比较稳定 3 频率高时 当电机有了一定转速后 再升高控制脉冲的频率 则电机的转速亦随之继续增加 在负载情况下 电机正常连续运行时 不丢步 失步 所能加的最高控制频率称为连续运行频率 这是步进电动机的重要技术指标 4 步进电机启动过程和启动频率 突跳频率 若步进电机原来静止于某一相的平衡位置上 当一定频率的控制脉冲送入时电机就开始转动 但其转速不是一下子就能达到稳定数值的 有一暂态过程 这就是启动过程 在一定负载转矩下 电机正常启动时 不丢步 不失步 所能加的最高控制频率称为启动频率或突跳频率 这也是衡量步进电机快速性能的重要技术指标 启动频率要比连续运行频率低得多 7 3驱动电源及其对电机性能的影响 一 驱动电源及其对电机性能的影响 步进电机是由专门的驱动电源驱动的 驱动电源和步进电动机是一个有机的整体 步进电动机的运行性能是电动机及其驱动电源二者配合的综合表现 驱动电源的基本部分包括变频信号源 脉冲分配器和脉冲功率放大器 1 单一电压型电源 左图为单一电压型电源的一相功放电路 m相电机有m个这样的功放电路 来自分配器的信号电压经过几级电流放大后加到三极管T1的基极 控制T1的导通和截止 T1是功放电路的末级功放管 它与步进电动机的一相绕组串联 所以通过功放管T1的电流与通过步进电动机绕组的电流相等 图中i1为绕组的电流波形 这样的电流波形会使步进电动机的输出转矩减小 动态特性变坏 如果要提高转矩 应缩短电流上升的时间常数 T L R 使电流前沿变陡 因此在设计电机时尽量减小绕组电感 如果加大串联电阻Rf1也可使时间常数下降 但为了达到同样的稳态电流值 电源电压要作相应的提高 可以看出加大串联电阻Rf1电流幅值也增大 波形更接近于矩形 这样就可以增大转矩 提高启动和连续运行频率 并使启动和运行矩频特性下降缓慢 单一电压型电源只用一种电压 线路简单 功放元件少 成本低 但是它的最主要缺点是电流流过串联电阻Rf1后要消耗非常可观的电能 2 高低压切换型电源 t i o 采用高低压切换型电源 绕组中的电流i如下图所示 3 其它型式的驱动电源 除了上述两种常用的驱动电源外 还有其它新型的驱动电源线路 如带有多次电流检测的高低压驱动电源 单电压斩波恒流型驱动电源 细分电路等 7 4步进电动机的主要性能指标和技术数据 一 最大静转矩Tjmax 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 称为最大静转矩Tjmax 绕组电流越大 最大静转矩也越大 通常技术数据中所规定的最大静转矩 指每相绕组通以额定电流时所得的值 一般负载转矩和最大静转矩的比为 按最大静转矩值 步进电动机分为伺服步进电动机和功率步进电动机两种 TL 0 3 0 5 Tjmax 二 步距角 b 每输入一个电脉冲信号时 转子转过的角度称步距角 步距角大小会直接影响步进电动机的启动和运行频率 外型尺寸相同的电机 步距角小的往往启动 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 需加装机械装置将旋转变为直线运动 此时 步距角需根据系统要求的脉冲当量和丝杠螺距确定 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 三 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 四 启动频率和启动矩频特性 启动频率又称突跳频率 是步进电动机能够不失步启动的最高脉冲频率 实际使用时步进电动机大都带载启动 这时负载启动频率是一个重要指标 而该指标又与负载转矩及惯量大小有关 五 运行频率和运行矩频特性 步进电动机启动后 控制脉冲频率连续上升而维持不失步的最高频率 称为运行频率 当步进电动机带载运行时 运行频率与负载转矩大小有关 两者的关系称为运行矩频特性 通常也以表格或曲线形式给出 提