第五章步進電動機

第5章步進電動機

5.1概述

5.2反應式步進電動機的結構和工作原理

5.3反應式步進電動機的特點

5.4反應式步進電動機的運行特性

5.5

步進電動機的其他類型

5.6

步進電動機的主要性能指標5.1概述步進電動機將輸入的脈沖電信號變換為角位移或直線位移，給一個脈沖信號，電動機前進一步，因此稱為步進電動機。

（1）控制系統(tǒng)對的基本要求在電脈沖的控制下，步進電動機能迅速起動、正反轉、制動和停車，調速范圍寬廣；步進電動機的步距角要小，步距精度要高，不丟步不越步；工作頻率高、響應速度快。（2）步進電動機的分類按其工作方式不同，可分為功率步進電動機和伺服步進電動機兩類。按勵磁方式的不同，步進電動機可分為反應式、永磁式和感應子式三類。5.2.1結構特點定子鐵心

定子鐵心為凸極結構，由硅鋼片迭壓而成。在面向氣隙的定子鐵心表面有齒距相等的小齒。圖5-1四相反應式步進電動機的結構定子繞組

定子每極上套有一個集中繞組，相對兩極的繞組串聯(lián)構成一相。步進電動機可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。轉子

轉子上只有齒槽沒有繞組，系統(tǒng)工作要求不同，轉子齒數也不同。5.2反應式步進電動機的結構和工作原理5.2.2工作原理1.工作原理以四相反應式步進電動機為例。定子有八個極，相對兩極的繞組串聯(lián)成一相，構成四相；轉子六個齒，齒寬等于定子極靴的寬度。

（a）A相通電（b）C相通電（c）B相通電（d）D相通電圖5-2四相單四拍運行A相繞組通電，在磁阻轉矩作用下，轉子齒1和4的軸線與定子A極軸線對齊；斷開A相接通C相，轉子齒3和6的軸線與C極軸線對齊，轉子逆時針方向轉過15°；斷開C相接通B相，轉子又轉過15°；斷開B相接通D相，轉子再轉過15°。四相單四拍每次只接通一相繞組的四相供電方式稱為四相單四拍。四相雙四拍每次同時接通兩相繞組，如AC→CB→BD→DA→…，也是四拍一個循環(huán)，則稱為四相雙四拍。雙拍運行與單拍運行時步距角相同，產生的轉矩一般會增加。四相八拍A→AC→C→CB→B→BD→D→DA→…。步距角變?yōu)樵瓉淼亩种弧?.運行方式拍和步距角電機通電方式變換一次，稱為一拍。每一拍轉子所轉過的角度，稱為步距角。如何使步進電動機反轉？5.2.2工作原理3．步距角每輸入一個脈沖電信號轉子轉過的角度稱為步距角，用符號表示。步距角為c為通電狀態(tài)系數，m為電機相數，Zr轉子的齒數。

減小步距角，可提高控制精度。5.2.2工作原理4．轉速n

若控制脈沖的頻率為f，即每秒輸入的脈沖數。反應式步進電動機的轉速取決于脈沖頻率、轉子齒數和拍數，與電源電壓、負載、溫度等因素無關。改變脈沖頻率可以改變轉速，故可進行無級調速。改變通電順序，可以控制電機轉向。5.2.2工作原理5.實用反應式步進電動機如何減小步距角？增加轉子齒數，同時在定子極面上開槽，定、轉子的齒形要相同。圖5-3四相反應式步進電動機的結構轉子齒數應滿足5.2.2工作原理四相單四拍運行通電方式為A→C→B→D→…。A相繞組通電，轉子齒軸線和定子磁極A上的齒軸線對齊；斷開A相接通C相，在磁阻轉矩作用下，轉子順時針方向轉過四分之一齒距角（1.8°），使轉子齒軸線和定子磁極C下的齒軸線對齊；…。圖5-4A相通電時定、轉子齒的相對位置

每換接一次繞組，轉子就轉過1／4齒距角。四步完成一個循環(huán)，轉子轉過7.2°

5.2.2工作原理四相八拍運行

通電方式為A→AC→C→CB→B→BD→D→DA→…。

A相繞組通電，轉子齒軸線和定子磁極A上的齒軸線對齊；圖5-5A、C兩相通電時定、轉子齒的相對位置A、C兩相同時通電時，轉子順時針方向只轉過1/8齒距角（0.9°）；…。每換接一次繞組，轉子就轉過1／8齒距角。

四相八拍運行時的步距角是四相四拍運行時的一半。四相雙四拍運行通電方式為AC→CB→BD→DA→…。步距角與四相單四拍運行時一樣為1/4齒距角，即1.8°。

5.2.2工作原理5.3工作特點1.步進電動機受脈沖控制，其轉子的角位移量和轉速嚴格地與脈沖的數量和頻率成正比。改變通電順序可以改變步進電機的旋轉方向，改變頻率可以改變電動機的轉速。2.若用同一頻率的脈沖電源控制幾臺步進電動機時，它們可以同步運行。3.維持步進電動機控制繞組的電流不變，電動機便停在某一位置不動。即步進電動機具有自整角的能力，不需要機械制動。4.步進電動機的步距角和轉速大小不受電壓波動和負載變化的影響，也不受環(huán)境（溫度、氣壓、沖擊和振動）的影響。5.步進電動機有一定的步距精度，沒有累積誤差。6.缺點：效率低、負載能力不大、調速范圍不大，最高輸入頻率一般不超過18KHZ規(guī)定定子、轉子齒軸線重合的位置為靜態(tài)空載情況下的初始穩(wěn)定平衡位置。5.4反應式步進電動機的特性靜止狀態(tài)

當步進電動機不改變通電狀態(tài)時，轉子處于不動狀態(tài)，稱為靜止狀態(tài)。失調角

當電動機軸上外加一個負載轉矩，使轉子按一定方向轉過一個角度，平衡時轉子所受的電磁轉矩稱為靜態(tài)轉矩。轉子偏離初始穩(wěn)定平衡位置的電角度稱為失調角。靜態(tài)特性

在靜止狀態(tài)下，電磁轉矩與失調角之間的函數關系，稱為步進電動機的矩角特性。1.靜態(tài)矩角特性5.4反應式步進電動機的特性靜態(tài)轉矩T是失調角的正弦函數，它的作用總是使轉子位置趨向于失調角為零；在結構一定且磁路不飽和的條件下靜態(tài)轉矩的大小與I2成正比。圖5-6矩角特性應當注意，最大靜態(tài)轉矩與控制繞組中電流的平方成正比，其前提條件是磁路不飽和，實際上當電流達到一定數值后，磁路開始飽和，正比關系被破壞，隨I增大，增大得越來越慢。圖5-7最大靜態(tài)轉矩與控制電流的關系5.4反應式步進電動機的特性步進電動機的起動性能用起動矩頻特性、起動慣頻特性和起動頻率來描述。2.起動矩頻特性起動矩頻特性

在給定驅動電源的條件下，負載轉動慣量一定時，起動頻率與負載轉矩的函數關系，稱作起動矩頻特性。圖5-8起動矩頻特性轉動慣量一定時，隨著負載的增加，其起動頻率是下降的。5.4反應式步進電動機的特性3.起動慣頻特性起動慣頻特性

在給定驅動電源的條件下，負載轉矩不變時，起動頻率與負載轉動慣量的函數關系，稱作起動慣頻特性。負載轉矩不變時，隨著轉動慣量的增加，起動頻率也是下降的。圖5-9起動慣頻特性5.4反應式步進電動機的特性4.起動頻率電機正常起動時（不丟步、不失步）所能加的最高控制頻率稱為起動頻率或突跳頻率。起動頻率與負載大小有關，因而指標分空載起動頻率和負載起動頻率。比低得多。例如，70BF03步進電動機，Hz，在0.1176N.m的負載下起動頻率Hz。增大電動機的動態(tài)轉矩；提高起動頻率的措施減小轉動部分的轉動慣量；減小步距角。5.4反應式步進電動機的特性5.4反應式步進電動機的特性當步進電動機在輸入脈沖，轉子作連續(xù)的旋轉運動，這種運行狀態(tài)稱作連續(xù)運行狀態(tài)。5.動態(tài)轉矩和運行矩頻特性步進電動機在連續(xù)運行狀態(tài)所產生的電磁轉矩稱為動態(tài)轉矩。

運行矩頻特性：步進電機連續(xù)穩(wěn)定運行時，輸出轉矩和連續(xù)運行頻率之間的關系。圖5-10運行矩頻特性矩頻特性表明，在一定控制脈沖頻率范圍內，隨頻率升高，電機的功率和轉速都相應地提高，超出該范圍則隨頻率升高轉矩下降，步進電動機帶負載的能力也逐漸下降，到某一頻率以后，就帶不動任何負載，而且只要受到一個很小的擾動，就會振蕩、失步以至停轉。連續(xù)運行頻率與負載的大小有關，一般分空載運行頻率，和額定負載運行頻率。6.連續(xù)運行頻率當控制電源的脈沖頻率連續(xù)提高時，在一定性質和大小的負載下，步進電動機能正常連續(xù)運行時（不丟步、不失步）所能加到的最高頻率稱為連續(xù)運行頻率或最高跟蹤頻率。。例如，步進電動機70BF03，其空載運行頻率，Hz額定負載運行頻率為Hz。最高連續(xù)運行頻率是步進電動機的重要技術指標。5.4反應式步進電動機的特性5.5步進電動機的其它類型1.多段反應式步進電動機結構

軸向磁路多段式步進電動機的結構如圖5-11所示。定、轉子鐵心均沿電機軸向按相數分段，每一組定子鐵心放置一相環(huán)形的控制繞組。定、轉子圓周上沖有形狀和數量相同的小齒。定子鐵心（或轉子鐵心）每相鄰兩段錯開1/m齒距。特點定子空間利用率較好，環(huán)形控制繞組繞制較方便；轉子的慣量較低；步距角也可以做得較小，起動和運行頻率較高。但是在制造時，鐵心分段和錯位工藝較復雜，精度不易保證。

圖5-11多段式軸向磁路反應式步進電動機1-線圈；2-定子；3-轉子；4-引線5.5步進電動機的其它類型結構

永磁式步進電動機定子上有兩相或多相繞組，轉子為一對或幾對極的星形磁鋼，轉子的極數與定子每相的極數相同。2.永磁式步進電動機圖5-12永磁式步進電動機工作原理當定子繞組按A→B→(-A)→(-B)→…輪流通直流脈沖時，轉子依次轉過45°，一個循環(huán)轉過180°，步距角為45°。特點

步距角大；起動頻率較低；控制功率小；在斷電情況下有定位轉矩；有強的內阻尼力矩；要求電源供給正負脈沖，使電源的變得復雜。結構兩相感應子式永磁步進電動機的定子結構與單段反應式步進電動機相同，1、3、5、7極上的控制繞組串聯(lián)為A相，2、4、6、8極上的控制繞組串聯(lián)為B相。轉子是由環(huán)形磁鐵和兩端鐵心組成。兩端轉子鐵心上沿外圓周開有小齒，兩端鐵心上的小齒彼此錯過1/2齒距。定、轉子齒數的配合與單段反應式步進電動機相同。3.感應子式永磁步進電動機圖5-13感應子式永磁步進電動機5.5步進電動機的其它類型工作原理

轉子磁鋼充磁后，A端為N極，B端為S極；A相通電時，定子1、3、5、7極上的極性為N、S、N、S。定子磁極1和5上的齒在A端則與轉子槽對齊，磁極3和7上的齒與A端上的轉子齒對齊；B相通電時，由于B相四個極（2、4、6、8極）上的齒與轉子齒都錯開1/4齒距，轉子前進1/4齒距；由于定子同一個極的兩端極性相同，轉子兩端極性相反，但錯開半個齒距，所以當轉子偏離平衡位置時，兩端作用轉矩的方向是一致的。5.5.步進電動機的其它類型特點步距角小；起動和運行頻率高；效率高；具有定位轉矩。兼有反應式和永磁式步進電動機兩者的優(yōu)點。但是它需要有正、負電脈沖供電，并且在制造時比較復雜。5.5步進電動機的其它類型5.6步進電動機的主要性能指標1.最大靜轉矩最大靜轉矩是指在規(guī)定的通電相數下矩角特性上的轉矩最大值。通常在技術數據中所規(guī)定的最大靜轉矩是指一相繞組通上額定電流時的最大轉矩值。按最大靜轉矩的大小可把步進電動機分為伺服步進電動機和功率步進電動機。伺服步進電動機的輸出轉矩較小，有時需要經過液壓力矩放大器或伺服功率放大系統(tǒng)放大后再去帶動負載。而功率步進電動機可直接帶動負載，使系統(tǒng)簡化，傳動精度提高。2.步距角

步距角是指輸入一個電脈沖轉子轉過的角度。步距角的大小直接影響步進電動機的起動頻率和運行頻率。相同尺寸的步進電動機，步距角小的起動、運行頻率較高。3.靜態(tài)步距角誤差靜態(tài)步距角誤差

是指實際步距角與理論步距角之間的差值，常用理論步距角的百分數或絕對值來表示。