第07章-步进电动机学习教案

1、会计学1第第07章章-步进电动机步进电动机第一页，共62页。-2- 步进电动机是一种把电脉冲信号转换成机械角位移的控制电机，常作为数字控制系统中的执行元件。由于(yuy)其输入信号是脉冲电压，输出角位移是断续的，即每输入一个电脉冲信号，转子就前进一步，因此叫做步进电动机，也称为脉冲电动机。 步进电动机的主要特点是： (1) 转速和步距值不受电压波动、负载变化和温度变化等的影响，只与脉冲频率同步，转子运动的总位移量只取决于总的脉冲信号数。第七章 步进电动机第1页/共62页第二页，共62页。-3- (2) 开环控制，无需反馈，系统结构大为简化，工作更加可靠，维护更加方便，在一般定位驱动装置中具有足

2、够高的精度。 (3) 控制性能好，可以在很宽的范围内通过改变脉冲的频率来调节电机的转速，起动、制动、反向及其他任何运行(ynxng)方式的改变，都在少数脉冲内完成。 (4) 误差不积累。步进电动机每走一步所转过的角度与理论值之间总有一定的误差，但它每转一圈都有固定的步数，所以在不失步的情况下，其步距误差是不会积累的。第七章 步进电动机第2页/共62页第三页，共62页。-4-第一节 步进电动机的基本结构 步进电动机从转子结构上来说，主要包括反应式、永磁式和混合式三种。反应式步进电动机的工作原理与磁阻式同步电动机相似，都是利用(lyng)磁力线力图通过磁阻最小路径的原理来产生磁阻转矩，因此又称为磁

3、阻式步进电动机，如图7-1(a)所示；永磁式步进电动机依靠转子永磁体和定子绕组磁动势之间所产生的电磁转矩工作，如图7-1(b)所示；混合式步进电动机则是反应式和永磁式的结合，结构较为复杂。 第七章 步进电动机第3页/共62页第四页，共62页。-5-第七章 步进电动机定子齿极的极对数(du sh)就等于定子绕组的相数 第4页/共62页第五页，共62页。-6- 步进电动机不同于普通的交、直流电动机，它必须与驱动控制器、直流电源组成系统方能正常运行，如图7-2所示。在实际系统中，步进电动机和驱动控制器是两个不可分割的组成部分，这是因为给步进电动机定子(dngz)控制绕组所加的电源既不是正弦交流，也不

4、是恒定直流，而是脉冲电压。 第七章 步进电动机第5页/共62页第六页，共62页。-7-第二节 步进电动机的工作原理(yunl)一、通电方式的分析1. 三相单三拍通电方式第七章 步进电动机第6页/共62页第七页，共62页。-8-2. 三相双三拍通电(tng din)方式 在切换过程中总有一相绕组处于通电(tng din)状态，转子齿极受到定子磁场控制，不易失步和振荡。 第七章 步进电动机第7页/共62页第八页，共62页。-9-3. 三相六拍通电(tng din)方式 第七章 步进电动机第8页/共62页第九页，共62页。-10-二、多齿结构的分析 对于图7-3和图7-4所示的步进电动机，其步距角都

5、太大，不能满足(mnz)精密控制的要求。为了减小步距角，可以将定、转子加工成多齿结构，转子上开有数目较多的齿极，而定子每个大齿极上又开有若干个小齿极，如图7-6所示。第七章 步进电动机第9页/共62页第十页，共62页。-11-第七章 步进电动机oot3607.250齿距角三相(sn xin)单三拍和三相(sn xin)双三拍时 obt12.43三相(sn xin)六拍时 obt11.26第10页/共62页第十一页，共62页。-12-三、步距角和转速(zhun s)的计算 若转子齿数为ZR，转子相邻两齿间的夹角，即齿距角为第七章 步进电动机Rot360Z（7-1）转子每一步转过的空间(kngji

6、n)角度，即步距角为 （7-2）Rotb360NZN拍数 转子(zhun z)转过一个齿距需要的通电状态数第11页/共62页第十二页，共62页。-13- 对于三相(sn xin)步进电动机，当通电方式为单三拍或双三拍时，N = m ；当通电方式为六拍时，N = 2m 。 可见，步进电动机的步距角和定子相数和转子齿数成反比。定子相数越多，则步距角越小，精度越高，但供电电源和电机结构也越复杂。所以，一般步进电动机的相数不超过六相，而且主要是通过增加转子齿数来提高系统精度。 第七章 步进电动机第12页/共62页第十三页，共62页。-14- 由式（7-2）可知，每输入一个电压脉冲，转子转过的角度是整个

7、圆周(yunzhu)角的 ，也就是转过 转。 若脉冲电源的频率为f，则转子每分钟转过的圆周(yunzhu)数，即转子转速为 第七章 步进电动机（7-3）R60NZfn R1NZR1NZ第13页/共62页第十四页，共62页。-15-第七章 步进电动机 可见，步进电动机的转速取决于脉冲电源的频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载和温度等因素无关。当转子齿数一定(ydng)时，转子转速与脉冲电源的频率成正比，即电机转速与脉冲频率同步。这样，步进电动机可以直接采用开环控制，并进行较宽范围的无级调速。 第14页/共62页第十五页，共62页。-16-第三节 步进电动机的运行特性 反应式步进电动机有静止、单步

8、运行和连续运行三种运行状态，分别对应不同的运行特性，下面依次予以介绍。一、步进电动机的静特性 步进电动机的静止状态是指当控制脉冲停止送入，如果某些定子(dngz)绕组仍通以恒定不变的电流时，转子将固定于某一位置保持不动的情况。 步进电动机的静特性可以用静态电磁转矩Te与转子失调角e之间的关系 来描述，称为矩角特性。 第七章 步进电动机)(eefT 第15页/共62页第十六页，共62页。-17-1. 单相(dn xin)通电时 失调角e 是指转子偏离平衡位置的电角度，即通电相的定、转子齿中心线间用电角度表示的夹角，如图7-8所示。第七章 步进电动机第16页/共62页第十七页，共62页。-18-

9、如果将转子齿数看作转子的极对数， 电角度就等于空间机械角度乘以转子齿数，即一个(y )齿距就对应2电角度，用电角度表示的齿距角为 第七章 步进电动机2te（7-4）相应(xingyng)的步距角为 NN2tebe（7-5）第17页/共62页第十八页，共62页。-19- 所以，当拍数一定时，无论转子齿数是多少，用电角度表示的步距角是一定值。对于三相步进电动机，通电方式(fngsh)为单三拍或双三拍时，步距角为2/3电角度；通电方式(fngsh)为六拍时，步距角为/3电角度。 通过图7-8的分析可以知道， 步进电动机的静态电磁转矩Te随失调角e作周期性的变化，变化周期是一个齿距，即2电角度。严格来

10、说，矩角特性的形状是比较复杂的，它与气隙的长度、定转子齿的形状以及磁路饱和的程度等都有关系。对于反应式步进电动机，其矩角特性可近似为正弦函数曲线，如图7-9所示。第七章 步进电动机第18页/共62页第十九页，共62页。-20-第七章 步进电动机eemesinTT 静态(jngti)电磁转矩最大值第19页/共62页第二十页，共62页。-21-2. 多相通电时 在磁路为线性的前提下，按照叠加原理，多相通电时的矩角特性可以近似地由每相各自通电时的矩角特性叠加而求得。下面推导(tudo)三相步进电动机在两相通电时的矩角特性。 设A、B两相通电，以A相定子齿的中心轴线为基准，转子失调角为e，那么A相通电

11、时的电磁转矩为第七章 步进电动机eemeAsinTT（7-7）第20页/共62页第二十一页，共62页。-22- 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错开(cu ki)一个单拍制的步距角，即2/3电角度，所以相应的电磁转矩为 第七章 步进电动机（7-8）)32sin(eemeBTT这样，当A、B两相同时通电(tng din)时，合成的电磁转矩为 eABeAeBemesin()3TTTT （7-9）第21页/共62页第二十二页，共62页。-23- 对于三相步进电动机，两相通电时的最大静态转矩与单相通电时的最大静态转矩相等，也就是说，三相步进电动机不能依靠增加通电相数来提高(t

12、go)负载能力，这是它的一个固有缺陷。第七章 步进电动机第22页/共62页第二十三页，共62页。-24-二、步进电动机的单步运行 步进电动机的单步运行状态是指当控制脉冲频率很低时，下一个脉冲到来之前，上一步动作已经完成(wn chng)，电动机一步一步地完成(wn chng)步进式转动的情况。 第七章 步进电动机第23页/共62页第二十四页，共62页。-25- 由上图可见(kjin)，要保证电动机能够步进式转动，负载转矩不能大于相邻两拍矩角特性的交点所对应的电磁转矩，即相邻两拍矩角特性交点所对应的转矩是步进电动机单步运行时能够带动的极限负载，称为极限起动转矩（或最大负载转矩）Tst，其表达式为

13、 第七章 步进电动机2cos2sinbeembeemstTTT（7-10）第24页/共62页第二十五页，共62页。-26-因为(yn wi)步距角 （N为运行拍数），所以上式可写为 第七章 步进电动机N2bestemcosTTN（7-11） 在规定的电源条件下， 静态转矩最大值Tem是一定的，要提高步进电动机的负载能力， 应增大运行拍数N，如三相电机由单三拍或双三拍运行改为六拍运行。 如果是两相步进电动机，由于N=m=2（即两矩角特性相差电角度），Tst=0，所以反应式步进电动机的相数应满足m3，相数越多，极限(jxin)起动转矩Tst就越接近静态转矩最大值，负载能力就越强。第25页/共62页

14、第二十六页，共62页。-27- 另外，在步进电动机的单步运行过程中，转子由一个(y )稳定平衡点A达到另一个(y )新的稳定平衡点B的过程中，所积累的动能和惯性会使转子冲过新的平衡位置，而此后Te-TL0（如图7-11所示），又使电动机减速， 进而反向运行。由于能量消耗和阻尼的结果，转子将在新的平衡位置附近作衰减的振荡。 这种振荡现象 对于步进电动机的正常运行是不利的，它影响了系统的精度，并产生一定的振动和噪声，严重时甚至可能使转子失步， 应设法增大阻尼加以削弱。第七章 步进电动机第26页/共62页第二十七页，共62页。-28-三、步进电动机的连续运行和动特性 随着外加脉冲频率的提高，步进电动

15、机进入连续运行状态。 在伺服系统中，步进电动机经常做起动、制动、正转、反转和调速等动作，并在各种频率下运行。这就要求步进电动机的步数与脉冲数严格相等，既不丢步，也不越步，而且转子的转动应是平稳的。否则，步进电动机系统的“步进”精度就失去了意义(yy)。因此，在伺服系统中步进电动机必须具有良好的动特性。第七章 步进电动机第27页/共62页第二十八页，共62页。-29- 步进电动机连续运行时所产生的转矩称为动态(dngti)电磁转矩，步进电动机的动特性可以用动态(dngti)电磁转矩Te 与电源脉冲频率f之间的关系来描述，称为矩频特性。 第七章 步进电动机最大连续运行(ynxng)频率 起动(q

16、dn)频率 第28页/共62页第二十九页，共62页。-30-第七章 步进电动机随着电源频率的升高(shn o)，步进电动机最大输出转矩要下降。 第29页/共62页第三十页，共62页。-31- 值得注意的是，在步进电动机起动时所能施加的最高频率（称为起动频率fst）比连续运行频率低得多，如图7-12中的虚线所示，这是因为在起动过程中，电动机除了要克服负载转矩TL，还要克服加速度力矩 。 提高步进电动机连续运行频率的途径除了提高电磁转矩的基本方法外，还包括增加电机运行的拍数、减小电机的时间常数(sh jin chn sh)、减小转动惯量、采用机械阻尼装置等措施。 第七章 步进电动机22ddtJ第3

17、0页/共62页第三十一页，共62页。-32-第四节 步进电动机的驱动控制* 步进电动机不同于普通的控制电机，给步进电动机定子控制绕组所加的电源既不是正弦交流，也不是恒定直流，而是脉冲电压，它必须(bx)由特定的脉冲电源供电。因此，相对来说，步进电动机的控制是比较复杂的。 第七章 步进电动机第31页/共62页第三十二页，共62页。-33-一、驱动控制器 电动机本体与其驱动控制器构成一个不可分割(b k fn )的有机整体，步进电动机的运行性能在很大程度上取决于所使用的驱动控制器的质量。1. 驱动控制器的组成第七章 步进电动机第32页/共62页第三十三页，共62页。-34-2. 对驱动控制器的要求

18、(yoqi) (1) 驱动控制器的相数、电压、电流和通电方式都要满足步进电动机的要求(yoqi)。 (2) 驱动控制器的频率要满足步进电动机起动频率和连续运行频率的要求(yoqi)。 (3) 能最大限度地抑制步进电动机的振荡，提高系统稳定性。 (4) 工作可靠，抗干扰能力强。 (5) 成本低，效率高，安装和维护方便。第七章 步进电动机第33页/共62页第三十四页，共62页。-35-3. 驱动控制系统的分类 (1) 步进电动机简单(jindn)的控制过程可以通过各种逻辑电路来实现。这种控制方法线路较复杂，成本高，而且一旦成型，很难改变控制方案，缺少灵活性。 (2) 由于步进电动机能直接接受数字量

19、输入，特别适合于微机控制。采用计算机控制，不仅可以用很低的成本实际复杂的控制过程，而且具有很高的灵活性，便于控制功能的升级和扩充。 (3) 步进电动机的驱动控制系统还可以采用专用集成电路来构成。这种控制系统具有结构简单(jindn)、性价比高的优点，在系列化产品中应该优先采用这种方式。第七章 步进电动机第34页/共62页第三十五页，共62页。-36-二、功率驱动电路 步进电动机功率放大电路的种类很多，按照电流流过定子(dngz)控制绕组的方向是单向的还是双向的，可以分为单极性驱动电路和双极性驱动电路。单极性驱动电路适用于反应式步进电动机，双极性驱动电路适用于永磁式和混合式步进电动机。这里仅介绍

20、单极性驱动电路。第七章 步进电动机第35页/共62页第三十六页，共62页。-37-1. 单电压驱动电路 单电压驱动电路结构简单，开关(kigun)器件少，成本低，但串联电阻会产生一定的损耗，效率较低，只适用于驱动小功率步进电机或用于性能指标要求不高的场合。第七章 步进电动机第36页/共62页第三十七页，共62页。-38-2. 双电压驱动电路 用提高直流电源电压的方法可以使定子相绕组中的电流上升迅速，这样就产生了双电压驱动。双电压驱动有两种方式：双电压法和高低电压法。 （1）双电压法 这种驱动电路在低频段与单电压驱动相同，在高频段通过转换电源电压提高电流响应速度，但仍需要在绕组回路(hul)中串

21、联电阻，并没有摆脱单电压驱动的弱点。另外，将频率划分为高、低两段，使特性不连续， 有突变。 第七章 步进电动机第37页/共62页第三十八页，共62页。-39-第七章 步进电动机第38页/共62页第三十九页，共62页。-40-第七章 步进电动机第39页/共62页第四十页，共62页。-41- （2）高低电压法 这种高低压切换型驱动电路能够保证相绕组在很宽的频段内具有较大的平均电流，在关断时电流又能迅速下降，因此改善(gishn)了电机的动态转矩和动态性能。 另外，由于相绕组回路不需要串联电阻，所以功率损耗比较小。但是，这种驱动电路在低频时绕组通电时间长，电流有较大的过冲，所以低频时电机的振动和噪声

22、较大，存在低频共振现象。第七章 步进电动机第40页/共62页第四十一页，共62页。-42-3. 斩波恒流驱动电路 斩波恒流驱动的基本思路是，无论电机是在锁定状态还是在低频(dpn)段或高频段运行， 均使导通相绕组的电流保持额定值。第七章 步进电动机第41页/共62页第四十二页，共62页。-43-第七章 步进电动机第42页/共62页第四十三页，共62页。-44- 可见，在控制脉冲ui为高电平期间，直流电源以脉冲方式供电，保证了相绕组电流的基本恒定，使电机的输出转矩较为均衡，电机运行平稳。 这种驱动电路的另一个优点是，能够有效地抑制振荡，因为步进电机振荡的根本原因是能量过剩，而斩波恒流驱动的输入能

23、量 是随着(su zhe)绕组电流的变化 自动调节的，可以有效地防止能量积聚。但是，由于电流波形为锯齿波，这种驱动方式会产生较大的电磁噪声。 第七章 步进电动机第43页/共62页第四十四页，共62页。-45-4. 调频调压驱动电路 低速运行时绕组电流上升缓慢一些，使转子向新的稳定平衡(wndng pnghng)位置移动时不要有严重的过冲，避免产生剧烈的振荡；而在高速运行时电流波形的前沿较陡，能够迅速建立绕组电流，提高负载能力。 第七章 步进电动机第44页/共62页第四十五页，共62页。-46-第七章 步进电动机第45页/共62页第四十六页，共62页。-47- 这种调频调压驱动方式类似于双电压驱

24、动电路，其优点(yudin)是相绕组电压可以自动调节，控制效果较好。 但是， 这种驱动电路需要的器件较多， 线路较复杂，而且在实际运行时针对不同参数的电机，还要相应调整电压随脉冲频率变化的特性，因此也存在一定的局限性。 第七章 步进电动机第46页/共62页第四十七页，共62页。-48-5. 细分驱动电路 细分驱动控制又称为微步距控制，是步进电动机开环控制的新技术之一，可以达到极高的控制精度。 所谓细分驱动控制，就是把步进电动机的步距角进一步减小，把原来的一步再细分成(fn chn)若干微步 （如100步）。这样，步进电动机的转动就近似为匀速运动，并能在任何位置准确停步。第七章 步进电动机第47

25、页/共62页第四十八页，共62页。-49- 为了达到上述目的，可以设法将定子相绕组中原来的矩形波电流改为阶梯波电流，如图7-22所示。这样，在相绕组电流的每个阶梯，电机转动一步，步距角大为减小，电机运行更加平稳，同时负载(fzi)能力也得到显著提高。 第七章 步进电动机第48页/共62页第四十九页，共62页。-50- 实现阶梯波电流的方法有两种： (1) 第一种是通过顺序脉冲发生器形成若干等幅又等宽的脉冲，用相应数量的完全相同的脉冲放大器分别进行功率放大，最后在电机的相绕组中将这些脉冲电流进行叠加，形成阶梯波电流，如图7-23(a)所示。 这种方法使用的功放元件(yunjin)很多， 但元件(

26、yunjin)的容量较小，且结构简单，容易调整，适用于中、大功率步进电动机的驱动。第七章 步进电动机第49页/共62页第五十页，共62页。-51-第七章 步进电动机第50页/共62页第五十一页，共62页。-52- (2) 第二种是对顺序脉冲发生器所形成的等幅又等宽的脉冲，先用加法器合成阶梯波，再对阶梯波信号(xnho)进行功率放大，如图7-23(b)所示。 这种方法所用功放元件少，但元件的容量较大，适用于微、小型步进电动机的驱动。 细分驱动控制可以使步进电动机的步距角成数量级地减小，大大提高了执行机构的控制精度，同时也可以减小或消除振荡，降低噪声，并抑制转矩脉动，提高系统运行的稳定性，因而值得

27、推广应用。 第七章 步进电动机第51页/共62页第五十二页，共62页。-53-第五节 步进电动机的选用一、步进电动机的主要技术数据 (1) 步距角。指每给一个脉冲信号电机转子所转过的角度，通常用电角度来表示。 (2) 精度。通常指的是最大步距误差。从使用者的角度看，多数情况使用累积(lij)误差比较方便。 (3) 定位转矩。 指绕组不通电时电磁转矩的最大值，或转角不超过一定值时的转矩。通常反应式步进电动机的定位转矩为零，除非具有特殊的产生定位转矩的装置。第七章 步进电动机第52页/共62页第五十三页，共62页。-54- (4) 静转矩。指不改变(gibin)控制绕组通电状态，即转子不转情况下的

28、电磁转矩。对应于某一失调角时，静转矩的最大值，称为最大静转矩，它取决于通电状态及绕组内电流的值。 (5) 动转矩。 指转子转动情况下的最大输出转矩，它与运行频率有关。 (6) 起动频率。指电动机空载起动和停止均无失步的最高频率，又称为最高起动频率或空载起动频率。 (7) 运行频率。指频率连续上升时，电动机能不失步运行的最高频率，又称为连续频率。第七章 步进电动机第53页/共62页第五十四页，共62页。-55-二、步进电动机的选用原则 步进电动机系统是典型的机电一体化装置，选用时需要考虑机械、电气(dinq)和驱动控制等诸多因素。对于终端用户，最好是步进电动机、驱动控制器及直流电源选择一个生产商

29、的配套产品，这样能够保证配置合理，品质优良。第七章 步进电动机第54页/共62页第五十五页，共62页。-56-1. 步进电动机的选用 步进电动机的选择首先要考虑的是外形尺寸（机座号）、转矩和步距角。最大静转矩是主要参考指标。 步进电动机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作频率起动，而是采用逐渐升频提速，这样可确保电机不失步，同时可以减少噪音。 使用步进电动机时，还要注意自振荡现象。当反应式步进电动机的控制脉冲频率连续升高达到一定值时，开始(kish)出现显著的振荡现象，频率继续提高时，振荡越来越大，直到不能运转。第七章 步进电动机第55页/共62页第五十六页，共62页。-57- 2. 驱动控制器的选用 步进电动机的性能(xngnng)在很大程度上取决于矩频特性，而矩频特性又与驱动控制器密切相关。常用的驱动控制方式有单电压驱动、双电压驱动、斩波恒流驱动、调压调频驱动和细分驱动等。 除了注意驱动方式和矩频特性外，在选择步进电动机驱动控制器时，还应注意： (1) 使用的电源是交流的还是直流的； (2) 驱动方式是定电压驱动还是定电流驱动； (3) 输入信号的电平逻辑、脉冲宽度； (4) 输出信号的电压、电流序列。第七章 步进电动机第56页/共62页第五十七页，共62页。-58-三、步进电动机的应用实例 步进电动机虽然出现得较早，但得到真正发展还是近几十年的事，特别是计算机控制技