步进电动机2课件

§5-3运行特性一、静态运行状态步进电动机不改变通电情况的运行状态称为静态运行。1、矩角特性步进电机的静转矩T与失调角之间的关系T=f(θ)叫做矩角特性。失调角:电机转子偏离初始平衡位置的电角度。初始平衡位置：指步进电动机在空载情况下，控制绕组中通以直流时，转子的最后稳定平衡位置。静转矩：步进电动机静态运行时转子受到的反应转矩T叫做静转矩，通常以使θ增加的方向为正。电机定子齿与转子齿中心线之间的夹角就是失调角，当步进电机的控制绕组通电状态变化一个循环，转子正好转过一齿，故转子一个齿对应电角度为2π。1在步进电机某一相控制绕组通电时，如果该相磁极下的定子齿与转子齿对齐，那么失调角θ=0，静转矩T=0，如图a所示；如果定子齿与转子齿未对齐，即0<θ<π，出现切向磁力，其作用是使转子齿与定子齿尽量对齐，即使失调角θ减小，故为负值，如图b所示。如果为空载，那么反应转矩作用的结果是使转子齿与定子齿完全对齐；如果某相控制绕组通电时转子齿与定子齿刚好错开，即θ=π，转子齿左右两个方向所受的磁拉力相等，步进电机所产生的转矩为0，如图c所示。

(a)(b)(c)2单相通电时，通电相极下所有齿都产生转矩，由于同一相极下所有定子齿和转子齿相对应的位置都相同，因而电机总转矩为通电相极下各定子齿所产生转矩之和。静态转矩TA相通电时，有在dt时间内输入的电能为式中第一部分为电阻损耗；第二部分为磁场储能，是电机对外做功的能源。3电磁转矩T驱使转子转过偏转角时，步进电动机对外输出的机械能，从能量平衡关系即静态转矩为在线性系统中若控制绕组中的电流I为常数，每相控制绕组是两个极上绕组串接而成，且每极绕组的匝数为N，则4为每极控制绕组的磁动势；为转子齿数；为气隙磁导对失调角的变化率。气隙磁导可表示为为气隙比磁导；是指单位铁芯长度上一个齿距内定、转子间的气隙磁导；为定子每极下的小齿数；为铁心长度。5气隙比磁导忽略高次谐波影响影响时，气隙比磁导为由此可得静态转矩T是失调角的正弦函数，它的作用总是使转子位置趋向于失调角为零；在结构一定且磁路不饱和的条件下静态转矩的大小与I2成正比。6步进电机的静转矩随失调角呈周期性变化，变化的周期为转子的齿距，也就是2π电角度。实践表明，反应式步进电机的静转矩T与失调角θ的关系近似为T=-Csinθ式中C为常数，与控制绕组、控制电流、磁阻等有关。步进电机某相绕组通电时矩角特性如图所示。矩角特性上静转矩的最大值Tsm称为最大静转矩。

72、多相通电时a)

三相步进电动机A→AB→B→BC→C→CA→A顺序通电TA=TmaxsinθseTB=Tmaxsin(θse-120°)TAB=TA+TB=2Tmaxcos60°=Tmax8

b)五相步进电动机1、供电方式；（C=1）：五相单五拍A→B→C→D→E→A

五相双五拍AB→BC→CD→DE→EA→AB

五相三五拍ABC→BCD→CDE→DEA→EAB→ABC(C=2):五相单双十拍A→AB→B→BC→C→CD→D→DE→E→EA→A五相三双十拍AB→ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB9TA=TmaxsinθseTB=Tmaxsin(θse-72°)TAB=2Tmaxcos36°=1.618Tmax10结论：m相电动机n相同时通电时的转矩最大值与单相通电时的值之比为：一般情况下，多相同时通电时能提高输出转矩，功率大时采用。3、矩角特性族

11二、步进运行状态（单脉冲运行状态）当接入控制绕组的脉冲频率较低，电机转子完成一步之后，下一个脉冲才到来，电机呈现出一转一停的状态，故称之为步进运行状态。1、步进运行状态过程负载TL=0（即空载）12A相通电时，-π<θ<π为静稳定区，当A相绕组断电转到B相绕组通电时，新的稳定平衡点为b，对应于它的静稳定区为-π+θb<θ<π+θb（图中θb=2/3π）,在换接的瞬间，转子的位置只要停留在此区域内，就能趋向新的稳定平衡点b，所以区域（-π+θb，π+θb）称为动稳定区，显而易见，相数增加或极数增加，步距角愈小，动稳定区愈接近静稳定区,即静、动稳定区重叠愈多，步进电机的稳定性愈好。13步进电机带上负载TL后，转子每走一步不再停留在稳定平衡点，而是停留在静转矩T等于负载转矩的点上。14如果负载较大，转子未转到曲线A、B的交点就有T=TL，转子停转，当A相断电B相通电，转到曲线B后T<TL，电机不能作步进运动。显而易见，步进电机能够带负载作步进运行的最大值TLmax即是两相矩角曲线交点处的电机静转矩，又成为起动转矩Tst。说明1、C=1时，m最小必须为32、若增加相数或拍数，那么静动稳定区重叠增加，两相曲线交点升高，最大电机静转矩增加。3、距角特性为平顶波时起动转矩Tst增大接近与Tsm。4、实际运行时，所带负载值还应减小，一般为TL=(0.3～0.5）Tsm。

152、自由振荡过程产生原因：当电机达到稳定平衡点时，T=0，但转速n≠0，转子继续向前运动，使θ增大，并产生反向转矩，在此转矩的作用下，当θ=2θse时，n=0，并继续在该转矩的作用下向相反方向运动，直到θ=0，形成自由振荡的过程。16考虑到阻尼转矩时，形成衰减的振荡过程。

理论上可以证明固有振荡角频率为17三、连续运转状态当脉冲频率f较高时，电机转子未停止而下一个脉冲已经到来，步进电动机已经不是一步一步地转动，而是呈连续运转状态。根据外加脉冲频率的变化范围，可以分为三个频率段：极低频段：每一脉冲的时间间隔足够是转子的振荡过程来的及衰减，转子总可以处于新的平衡位置。（可以稳定运行）高频段：频率f>4f0（振荡频率），此时电机没出现振荡的阶段，并且没有到达新的稳定点。低频段：极低频段与高频段之间的频段。

181、起动频率起动频率是指在一定负载转矩下，能够不失步的起动脉冲最高频率。频率不太高时：转矩减小，但方向不变，使电机向新的平衡点运动。频率太高时：使转矩的方向改变，使电机减速，不能起动。19结论：1、当tf小到某一数值时，转子运动不到稳定区域，此时转子会失步，tfmin对应的频率为起动频率fst。2、fst的大小与电机的步距角θs有关。若增加相数m或拍数C，那么θs越大，进入动稳定区越容易，fst越高。3、Tsm越大，转子达到动稳定区所须时间越短，fst越高。4、转动惯量越小，动态响应短，转子达到动稳定区所须时间越短，fst越高。5、负载转矩增大，使加速转矩减小，达到动稳定区所须时间增长，fst减小。6、电路时间常数增大，达到动稳定区所须时间增长，fst减小。202、连续运行频率fsuc起动后，控制脉冲频率连续上升时，能不失步运行的最高频率称为连续运行频率fsuc。fsuc>fst：原因是起动时除了克服负载转矩，还克服电机加速JdΩ/dt。脉冲频率升高，电机转速增加，步进电动机所能带动的负载转矩将减小。21主要是因为频率升高时，脉冲间隔时间小，由于定子绕组电感有延缓电流变化的作用，控制绕组的电流来不及上升到稳态值。频率越高，电流上升到达的数值也就越小，因而电机的电磁转矩也越小。另外，随着频率的提高，步进电动机铁芯中的涡流增加很快，也使电机的输出转矩下降。总之步进电机的输出转矩随着脉冲频率的升高而减小，步进电机的平均转矩与驱动电源脉冲频率的关系叫做矩频特性。22§5-4驱动电源步进电动机的控制绕组中需要一系列的有一定规律的电脉冲信号，从而使电机按照生产要求运行。这个产生一系列有一定规律的电脉冲信号的电源称为驱动电源。步进电动机的驱动电源主要包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲放大器三个部分，其方框图如图

23驱动电源的分类：1、按脉冲极性分：单向脉冲电源、正负双极性脉冲电源（永磁式和永磁感应子式）2、脉冲的供电方式：单一电压型电源、高低压切换型电源、电流控制的高低压切换型电源、细分电路电源241.单一电压型驱动电源单一电压型电源是最简单的驱动电源，其原理电路如图所示。为高电平时VT1导通，绕组通电；为低电平时VT1关断，绕组断电。作用减小电路的时间常数，这样可增大动态转矩，提高起动和连续运行频率，并使起动和运行矩频特性下降缓慢。C的作用

可强迫控制电流加快上升，使电流波形前沿更陡，改善波形。VD1和的作用

形成放电回路，限制功率管VT1上的电压，保护功率管。单一电压型电源线路简单、功放元件少、成本低，但效率较低。252.高、低压切换型驱动电源高、低压切换型电源，其原理电路如图所示。步进电动机的每一相控制绕组需要有两只功率元件串联，它们分别由高压和低压两种不同的电源供电。高压供电是用来加速电流的上升速度，改善电流波形的前沿，而低压是用来维持稳定的电流值。的作用调节控制绕组的电流值，使各相电流平衡。

VD2及作用是构成续流电路。这种电源效率较高，起动和运行频率也比单一电压型电源要高。263.电流控制的高、低压切换电源带有连续电流检测的高、低压驱动电源是在高、低压切换型电源的基础上，多加了一个电流检测控制线路，使高压部分的电流断续加入，以补偿因控制绕组的旋转电动势和相间互感等原因所引起的电流波顶下凹造成的转矩下降。它是根据主回路电流的变化情况，反复地接通和关断高压电源，使电流波顶维持在需求的范围内，步进电动机的运行性能得到了显著的提高，相应使起动和运行频率升高。因在线路中增加了电流反馈环节，使其结构较为复杂，成本提高。274.步进电动机驱动电源实例以LQ-1500打印机字车步进电动机驱动电源及控制线路为例。打印机在打印前必须把打印头移动到要求开始打印的点上，在打印不同字体的字符时，又要求打印头以不同的速度沿着打印纸做出水平移动。这些操作都由主CPUZ80通过从CPU8042（11D）控制和驱动字车步进电动机，带动齿轮、齿皮带及机头小车等传动机构来完成的。（1）系统的组成

8042是INTEL公司的通用外围接口8位微处理器

13C（μPA79C）达林顿电路，具有很高的电流放大系数。

STK6982是一种专门用于驱动步进电动机的集成电路。字车步进电动机，有LA、LB、LC、LD四个控制绕组。28字车步进电动机驱动电路图29图4-37STK698230（2）过程分析驱动以A、B两相为例。开始8042的P21高电平→4脚低电平→5脚高电平→线圈LA通电，回路为VP（+24V）→1→2→LA→4→8→R1→GP（-）；与此同时，线圈LB无电流通过。反之，若8042的P21线输出低电平，线圈LB通电而线圈LA无电流通过。

C、D两相和A、B两相类似，由8042的P20来控制它们的导通，STK6982中的TR8驱动线圈LC，TR7驱动线圈LD。限流

在LQ-1500打印机中，步进电动机每相控制绕组的直流电阻仅4Ω左右，若不加限制，驱动电流可达6A，要求工作电流应控制在(0.5~0.9)A之间。31电流上升回路为VP（+24V）→1→2→LA→4→8→R1→GP（-），电流以最大值为6A的趋势快速上升。电流下降回路变为VP→56电阻→D33→LA→4→8→R1→GP（-），此时线圈LA中的电流下降。线圈LA中的电流限制在0.5A到0.9A之间。保持当步进电动机处于锁定时，它要求的力矩较小，因此可降低线圈中的电流。这时8042就在P22端送出一个高电平到STK