微特電機(jī)及系統(tǒng)課件：chap04_步進(jìn)電機(jī)

1、 步進(jìn)電機(jī)4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材 4.1 簡介 步進(jìn)電動機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電機(jī)。主要優(yōu)點(diǎn)：步距角和轉(zhuǎn)速不受電壓波動和負(fù)載變化的影響，僅與脈沖頻率有關(guān)。它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會長期積累，從而使它適合于在數(shù)字控制的開環(huán)系統(tǒng)中作為驅(qū)動電動機(jī)，也可用作閉環(huán)系統(tǒng)的驅(qū)動元件。主要缺點(diǎn)：效率較低，需配適當(dāng)?shù)尿?qū)動電源，帶慣性負(fù)載的能力不強(qiáng)。4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材種類：勵磁方式磁阻式(反應(yīng)式)永磁式混合式運(yùn)行方式旋轉(zhuǎn)型直線型平面型系統(tǒng)構(gòu)成：步進(jìn)電機(jī)脈沖分配器脈沖放大

2、器脈沖信號輸入4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材4.2 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理一、反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)單段式多段式 a)徑向磁路 b)軸向磁路4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材徑向磁路1線圈；2定子；3轉(zhuǎn)子軸向磁路1線圈；2定子；3磁軛4轉(zhuǎn)子；5引出線4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材二、工作原理 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)有三種運(yùn)行方式：三相單三拍運(yùn)行；三相雙三拍運(yùn)行；三相單、雙六拍運(yùn)行 “三相” 指步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)； “單” 指每次只給一相繞組通電；“雙”則是每次同時給二相繞組通電； “三拍”指通電三次完成一個循環(huán)4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一

3、五”國家級規(guī)劃教材A相導(dǎo)通B相導(dǎo)通1. 三相單三拍運(yùn)行方式4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材C相導(dǎo)通A相導(dǎo)通4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材 按A-B-C-A的順序通電，電機(jī)轉(zhuǎn)子在磁阻轉(zhuǎn)矩作用下沿ABC方向轉(zhuǎn)動，電機(jī)的轉(zhuǎn)速直接取決于控制繞組的換接頻率。 定子控制繞組每改變一次通電方式，稱為一拍，此時電機(jī)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的空間角度稱為步距角。齒距角：步距角：4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2. 三相雙三拍運(yùn)行方式 按AB-BC-CA-AB或相反的順序通電，每次同時給兩相繞組通電，且三次換接為一個循環(huán)。步距角與三相單三拍運(yùn)行方式的步距角相同。AB相導(dǎo)通BC相

4、導(dǎo)通4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材3. 三相單、雙六拍運(yùn)行方式按A-AB-B-BC-C-CA或相反順序通電，即需要六拍才完成一個循環(huán)，因此步距角為：A相導(dǎo)通B相導(dǎo)通AB相導(dǎo)通4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材 對于其它相數(shù)的步進(jìn)電動機(jī)，同樣可以有多種運(yùn)行方式，例如四相步進(jìn)電動機(jī)有：四相單四拍，四相雙四拍，四相單雙八拍等運(yùn)行方式。 一般而言，無論幾相電機(jī)以及采用何種運(yùn)行方式，步距角與轉(zhuǎn)子齒數(shù)Zr和拍數(shù)N之間有如下關(guān)系：(機(jī)械角度)此處，m為控制繞組相數(shù)，C為狀態(tài)系數(shù)，單三、雙三拍時，C=1；單雙六拍時C=2。 如果連續(xù)不斷地輸入脈沖，則電機(jī)轉(zhuǎn)子就連續(xù)旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與

5、脈沖頻率有關(guān)。每輸入一個脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過：4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材每秒鐘輸入f 脈沖，則轉(zhuǎn)過 f/ZrN 轉(zhuǎn)，故電機(jī)轉(zhuǎn)速為：rpm4. 小步距角磁阻式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子上有均勻分布的40個齒.4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材 小步距角步進(jìn)電動機(jī)中的轉(zhuǎn)子齒數(shù)，必須滿足一定的要求，才能保證電機(jī)產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動。當(dāng)A相極面下的定、轉(zhuǎn)子齒對齊時，B和C極面下的齒就分別和轉(zhuǎn)子齒相錯三分之一的轉(zhuǎn)子齒，即3度。轉(zhuǎn)子齒數(shù)應(yīng)符合：4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材4.3 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行特性一、靜態(tài)特性 靜態(tài)運(yùn)行是指通電狀態(tài)不變，電機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)時的特性。靜特性靜轉(zhuǎn)

6、矩矩角特性靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)需要清楚的幾個名稱：(1)初始穩(wěn)定平衡位置：指步進(jìn)電動機(jī)在空載情況下，控制4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材繞組中通以直流電流時，轉(zhuǎn)子的最后穩(wěn)定位置;(2)失調(diào)角q：指步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子偏離初始平衡位置的電角度。在反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)中，轉(zhuǎn)子一個齒距所對應(yīng)的度數(shù)為2p電弧度或360o電角度；(3)矩角特性：在不改變通電狀態(tài)(即控制繞組電流不變)時，步進(jìn)電動機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子失調(diào)角的關(guān)系，即T=f(q) =0, T=0; 0, T0 ; 0; =, T=0定子轉(zhuǎn)子4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材當(dāng)只有一相繞組通電時，儲存在電機(jī)氣隙中的磁場能量為 磁導(dǎo)變化曲

7、線 4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材步進(jìn)電動機(jī)的矩角特性4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材(4)靜態(tài)穩(wěn)態(tài)區(qū)：在空載時，穩(wěn)定平衡位置對應(yīng)于q=0處，而q=180度則為不穩(wěn)定平衡位置。在靜態(tài)情況下，如受外力矩的作用使轉(zhuǎn)子偏離穩(wěn)定平衡位置，但沒有超出相鄰的不穩(wěn)定平衡點(diǎn)，則當(dāng)外力矩除去以后，電動機(jī)轉(zhuǎn)子在靜態(tài)轉(zhuǎn)矩作用下仍能回到原來的穩(wěn)定平衡點(diǎn)，所以二個不穩(wěn)定平衡點(diǎn)之間的區(qū)域構(gòu)成靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。(5)最大靜轉(zhuǎn)矩：Tmax=f(I)最大靜轉(zhuǎn)矩特性4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材六拍時的矩角特性族三拍時的矩角特性族(6) 矩角特性族4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國

8、家級規(guī)劃教材二、動態(tài)特性1. 單脈沖運(yùn)行當(dāng)加上一個控制脈沖信號，矩角特性將轉(zhuǎn)移到矩角特性族中的下一條矩角特性曲線，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)到新的穩(wěn)定平衡位置o1。在改變通電狀態(tài)時，只有當(dāng)轉(zhuǎn)子起始位置位于ab之間才能使它向o1點(diǎn)運(yùn)動。因此稱區(qū)間ab為電動機(jī)空載時的動態(tài)穩(wěn)定區(qū)。動態(tài)穩(wěn)定區(qū)靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)C4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材動態(tài)穩(wěn)定區(qū)：(-p+qse)q(p+qse)a點(diǎn)與o0點(diǎn)之間的夾角qr稱為穩(wěn)定裕度(或裕量角)。裕量角越大，電動機(jī)運(yùn)行越穩(wěn)定。由上式可見，C=1時，反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的相數(shù)最少為3。電動機(jī)的相數(shù)越多，步距角越小，相應(yīng)的穩(wěn)定裕度越大，運(yùn)行的穩(wěn)定性也越好。最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩(又稱起動

9、轉(zhuǎn)矩)：4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材TL1Tst新矩角特性上對應(yīng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不能到達(dá)新的穩(wěn)定平衡點(diǎn)o”1，而是向q減小的方向運(yùn)動，因此不能作步進(jìn)運(yùn)動。4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材由此可知，步進(jìn)電動機(jī)能帶的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩要比最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax小。只有當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于起動轉(zhuǎn)矩(最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩)Tst，才能保證電動機(jī)進(jìn)行正常的步進(jìn)運(yùn)動。若矩角特性為幅值相等的正弦波時，可得：當(dāng)C=1時，m 最小為3；m越大，起動轉(zhuǎn)矩越大；C越大，起動轉(zhuǎn)矩越大。轉(zhuǎn)子振蕩過程：以上分析時認(rèn)為，切換控制繞組時，轉(zhuǎn)子單調(diào)地趨向新的平衡位置，但實(shí)際上要經(jīng)過一個衰減的振蕩過程。4.

10、步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材為減小振蕩幅度和時間，可增加阻尼：機(jī)械阻尼：增加電機(jī)轉(zhuǎn)子的干摩擦阻力或增加粘性阻力。缺點(diǎn)：增大了慣性，快速性能變壞，體積增大。電氣阻尼：多相激磁阻尼、延遲斷開阻尼。優(yōu)點(diǎn)：方法簡單，效果好。4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零，且不計(jì)阻尼作用時，用外力使轉(zhuǎn)子偏離穩(wěn) 定平衡位置一個小角度，然后釋放，則轉(zhuǎn)子將在電磁轉(zhuǎn)矩作用下向穩(wěn)定位置運(yùn)動，形成一個自由振蕩，其運(yùn)動方程為：解為：4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2. 連續(xù)脈沖運(yùn)行極低頻-連續(xù)步進(jìn)運(yùn)行4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材脈沖頻率很低時的低頻共

11、振 頻率介于極低頻與高頻之間，此時脈沖間隔較長，電動機(jī)起動和運(yùn)行一般不會有問題。但是，如果等于或接近于步進(jìn)電動機(jī)的振蕩頻率時，電動機(jī)就會出現(xiàn)低頻共振。A相通電，OAdOBeOBd，此時第二個脈沖到來，通電繞組由B相換為C相，工作點(diǎn)由d移到f，由于轉(zhuǎn)矩為負(fù)，轉(zhuǎn)子返向轉(zhuǎn)動向OC移動。低頻共振現(xiàn)象 4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材脈沖頻率很高時的連續(xù)運(yùn)行 當(dāng)控制脈沖的頻率很高時，脈沖間隔的時間很短，電機(jī)轉(zhuǎn)子尚未到達(dá)第一次振蕩的幅值，甚至還沒有到達(dá)新的穩(wěn)定平衡位置，下一個脈沖就到來。此時電機(jī)的運(yùn)行已由步進(jìn)變成了連續(xù)平滑的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速也比較穩(wěn)定。 當(dāng)頻率太高時，也會產(chǎn)生失步，甚至還會產(chǎn)生高

12、頻振蕩。 連續(xù)運(yùn)行狀態(tài) 4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材起動頻率和起動特性 fst 是指一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下能夠不失步地起動的脈沖最高頻率，它的大小與電動機(jī)本身參數(shù)、負(fù)載轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)動慣量的大小，以及電源條件等因素有關(guān)。它是步進(jìn)電動機(jī)的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。 fst=f(TL) 起動矩頻特性 fst=f(J) 起動慣頻特性連續(xù)運(yùn)行頻率與運(yùn)行矩頻特性 步進(jìn)電動機(jī)帶一定負(fù)載正常起動后，連續(xù)緩慢地升高脈沖頻率，直到不丟步運(yùn)行的最高頻率，稱為運(yùn)行頻率。4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材起動連續(xù)運(yùn)行矩頻特性起動慣頻特性4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材那么，為什么頻率升高后

13、電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會下降呢？因?yàn)?，控制繞組呈電感性，它具有延緩電流變化的作用。4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材4.4 其他型式步進(jìn)電機(jī)1. 永磁式步進(jìn)電動機(jī)定子為兩相(或多相)繞組；轉(zhuǎn)子為星形永久磁鋼；轉(zhuǎn)子極數(shù)應(yīng)與定子每相極數(shù)相同。極對數(shù)p=24.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材二相單四拍：定子繞組按AB(-A)(-B)A的次序通電，轉(zhuǎn)子將順時針方向轉(zhuǎn)過45。步距角為：二相雙四拍：定子繞組按ABB(-A)(-A)(-B)(-B)AAB的次序通電，轉(zhuǎn)子將順時針方向轉(zhuǎn)過45。永磁式步進(jìn)電動機(jī)的特點(diǎn)是：步距角大，啟動和運(yùn)行頻率低，需正負(fù)脈沖供電 ；但所需控制功率小，效率高。4.步

14、進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材2. 混合式步進(jìn)電動機(jī)（永磁感應(yīng)子式）定子結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)相同。轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鋼和兩段鐵芯組成，環(huán)形磁鋼在轉(zhuǎn)子中部，軸向充磁，兩段鐵芯分別裝在磁鋼的兩端。4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材氣隙上有兩個磁動勢：一個永磁磁動勢，一個是控制繞組通電產(chǎn)生的磁動勢。它們有時相加，有時相減。故稱為混合式。運(yùn)行原理(1) 定子A相繞組通電時，在電磁轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)子處于穩(wěn)定平衡位置，如下圖（a)所示。4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材(2)若使轉(zhuǎn)子偏離穩(wěn)定平衡位置，如下圖(b)所示，轉(zhuǎn)子向右偏離了一個角度，在不同端、不同極的轉(zhuǎn)矩作用方向是

15、相同的，都是使轉(zhuǎn)子回到穩(wěn)定平衡位置的方向。4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材（a)(b)4.5 步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源一、對驅(qū)動電源的基本要求驅(qū)動電源的相數(shù)、通電方式和電壓、電流都要滿足步進(jìn)電動機(jī)的要求；要滿足步進(jìn)電動機(jī)起動頻率和連續(xù)運(yùn)行頻率的要求；能最大限度地抑制步進(jìn)電動機(jī)的振蕩；工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)；成本低、效率高，安裝維護(hù)方便。4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材二、驅(qū)動電源組成變頻信號源脈沖分配器功率放大器步進(jìn)電動機(jī)負(fù)載指令變頻信號源：是一個脈沖頻率由幾赫到幾十千赫可連續(xù)變化的信號發(fā)生器，可以是計(jì)算機(jī)或振蕩器。脈沖分配器：一種邏輯電路，由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和門電路組

16、成，它可能將輸入的電脈沖信號根據(jù)需要循環(huán)地分配到脈沖放大器進(jìn)行功率放大，并使步進(jìn)電動機(jī)按選定的運(yùn)行方式工作。4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材三相單三拍脈沖分配器JKQ(t+1)說 明101置“1”010置“0”00Q(t)不變11(t)求補(bǔ)JK觸發(fā)器真值表4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材三相單、雙六拍單轉(zhuǎn)向脈沖分配器4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材功率驅(qū)動電路單極性驅(qū)動（反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)）單一電壓型功率放大電路優(yōu)點(diǎn)：線路簡單，功率元件少，成本低。缺點(diǎn)：Rf1上要消耗能量，工作效率低。只適用于小功率步進(jìn)電動機(jī)。如果電容C選擇不當(dāng)，在低頻段會使振蕩有

17、所增加，使低頻性能變差。4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材高、低電壓切換型功率放大電路優(yōu)點(diǎn)：電源功耗比較小，效率比較高。矩頻特性好，啟動和運(yùn)行頻率得到了很大的提高。主要缺點(diǎn)：低頻運(yùn)行時輸入能量過大，造成電機(jī)低頻振蕩加重；增大了電源的容量，對功率管性能參數(shù)的要求高。常用于大功率步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動 4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材電流斬波驅(qū)動放大電路4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動方式(a)低頻； (b)高頻4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材細(xì)分驅(qū)動放大電路細(xì)分電流波形電流的每個階梯，電機(jī)轉(zhuǎn)動一步，步距角減小了很多。先放大后合成先合成后放大4.步進(jìn)電機(jī)普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材雙極性驅(qū)動（永磁式和混合式步進(jìn)電動機(jī)）正負(fù)電源