第五章步進(jìn)電機(jī)

第五章步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已成為除直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)以外的第三類電動(dòng)機(jī)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電機(jī)，說得通俗一點(diǎn)，就是給一個(gè)脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。因此，這種電動(dòng)機(jī)也稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。

(1)在一定的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，輸出軸轉(zhuǎn)過的步數(shù)必須等于輸入脈沖數(shù)，既不能多走，也不能少，即不能有“失步”現(xiàn)象。(2)每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，輸出軸所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，該值要小而且精度要高。(3)允許的工作頻率高，這樣才能動(dòng)作迅速步進(jìn)電機(jī)的基本要求一.步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與分類按工作方式分：功率式轉(zhuǎn)矩大

伺服式轉(zhuǎn)矩小

按工作原理分：

反應(yīng)式(磁阻式

)永磁式永磁感應(yīng)式

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)剖面圖

永磁式步進(jìn)電機(jī)永磁式步進(jìn)電機(jī)剖面圖

混合式步進(jìn)電機(jī)混合式步進(jìn)電機(jī)

區(qū)別在于勵(lì)磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁線圈，依靠電磁轉(zhuǎn)矩工作。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有勵(lì)磁線圈。依靠變化的的磁阻生成磁阻轉(zhuǎn)矩工作。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最廣泛，它有兩相、三相、多相之分。這里主要討論三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。1.

特征：

l

定子內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子外圓均有齒和槽。

l

定子和轉(zhuǎn)子的齒寬和齒距相等。2.

規(guī)定：當(dāng)一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子的齒相對時(shí)，下一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子齒的位置剛好錯(cuò)開（z—齒距，m—相數(shù)）。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有力矩慣性比高、步進(jìn)頻率高、頻率響應(yīng)快、可雙向旋轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)簡單和壽命長等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)：三相（六級(jí)）步進(jìn)電機(jī)（與交流電機(jī)繞法和原理不同）

UVW定子轉(zhuǎn)子混合式步進(jìn)電機(jī)A－A‘，B－B’剖面

定子上線圈的繞法

轉(zhuǎn)子（40齒）

相數(shù)：獨(dú)立繞組數(shù)。三、四、五、六等相數(shù)。同相的兩個(gè)繞組可以串聯(lián)，也可以并聯(lián)磁極數(shù)：2倍相數(shù)齒距角r：轉(zhuǎn)子相鄰兩齒軸線之間的夾角四齒：900步距角s：輸入一個(gè)脈沖時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度步進(jìn)電機(jī)相關(guān)定義與術(shù)語1、單三拍運(yùn)行方式

2、雙三拍運(yùn)行方式3、單、雙六拍運(yùn)行方式二.反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理“單”指每次只能一相繞組通電，“三拍”指通電3次完成一個(gè)通電循環(huán)。三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理結(jié)構(gòu)圖如下：ABCIAIBIC

定子內(nèi)圓周均勻分布著六個(gè)磁極，磁極上有勵(lì)磁繞組，每兩個(gè)相對的繞組組成一相。采用Y連接，轉(zhuǎn)子有四個(gè)齒。定子轉(zhuǎn)子

由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，因此會(huì)在磁力線扭曲時(shí)產(chǎn)生切向力，而形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

現(xiàn)以ABCA的通電順序，使三相繞組

輪流通入直流電流，觀察轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)情況。BCIAIBIC1.單三拍運(yùn)行方式1.三相單三拍CA'BB'C'A3412

A相繞組通電，B、C相不通電。氣隙產(chǎn)生以A-A為軸線的磁場，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，故電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子受到一個(gè)反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，在此轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對齊。“三相”指三相步進(jìn)電機(jī)；“單”指每次只能一相繞組通電；“三拍”指通電三次完成一個(gè)通電循環(huán)。CA'BB'C'A3412

同理，B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過30角，2、4齒和B、B′

磁極軸線對齊；當(dāng)C相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過30角，1、3齒和C′、C磁極軸線對齊。1C'342CA'BB'A

這種工作方式下，三個(gè)繞組依次通電一次為一個(gè)循環(huán)周期，一個(gè)循環(huán)周期包括三個(gè)工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。

按ABCA……的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)起來。每一拍轉(zhuǎn)過30°(步距角)，每個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)磁場在空間旋轉(zhuǎn)了360°而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90°(一個(gè)齒距角)。

三相繞組中每次只有一相通電、一個(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，所以稱三相單三拍。（1）一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30

即步距角S=30

（2）①轉(zhuǎn)速取決于三相繞組的脈沖頻率

②角度取決于脈沖個(gè)數(shù)

③方向取決于三相通電次序單三拍工作方式特點(diǎn)（3）易使轉(zhuǎn)子在平衡位置來回?cái)[動(dòng)，產(chǎn)生振蕩2.三相雙三拍

按ABBCCA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時(shí)通電。AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB'C'ACA通電CA'BB'C'A3412與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動(dòng)時(shí)每個(gè)通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30(步距角)，一個(gè)通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90(齒距角)。（1）一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30

即步距角S=30

（2）①轉(zhuǎn)速取決于三相繞組的脈沖頻率

②角度取決于脈沖個(gè)數(shù)

③方向取決于三相通電次序雙三拍工作方式特點(diǎn)（3）兩相的磁極對轉(zhuǎn)于齒都有吸引力,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置后達(dá)到力矩平衡,有效避免“失步”。3三相六拍

按AABBBCC

CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒與A、A'對齊。

A、B相同時(shí)通電，A、A'磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15，到達(dá)左圖所示位置。CA'BB'C'A3412

B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒與B、B′對齊,又轉(zhuǎn)過15。3412CA'BB'C'A

B、C相同時(shí)通電，C'、C

磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過15。三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)通電循環(huán)周期如下：AABBBCC

CA，每個(gè)循環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15（步距角），一個(gè)通電循環(huán)周期(6拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90(齒距角)。與單三拍相比，六拍驅(qū)動(dòng)方式的步進(jìn)角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。單、雙六拍運(yùn)行方式特點(diǎn)六拍即完成一個(gè)循環(huán)，磁場在空間旋轉(zhuǎn)了360°，轉(zhuǎn)子仍只轉(zhuǎn)了1個(gè)齒距角步距角卻因拍數(shù)增加1倍而減小到齒距角的1/6，即S=15°。各種工作方式特點(diǎn)歸納（1）拍數(shù)為N，相數(shù)為m時(shí)若單拍運(yùn)行，則拍數(shù)N=m；若單雙拍運(yùn)行，則N=2m。（2）經(jīng)過一個(gè)通電循環(huán)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1個(gè)齒。電機(jī)轉(zhuǎn)速（）：

從以上對步進(jìn)電機(jī)三種驅(qū)動(dòng)方式的分析可得步距角計(jì)算公式：—步距角Zr

—轉(zhuǎn)子齒數(shù)m—每個(gè)通電循環(huán)周期的拍數(shù)實(shí)用步進(jìn)電機(jī)的步距角多為3和1.5

。為了獲得小步距角，電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子都做成多齒的。圖中轉(zhuǎn)子表面有40個(gè)齒，

l

齒距

（Z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)）

l

步距角

（K—狀態(tài)系數(shù)，三拍時(shí)，K=1；六拍時(shí)，K＝2）

例如：Z＝40，三相單三拍運(yùn)行，則

由此可見，轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z↑（或定子相數(shù)m↑，或運(yùn)行拍數(shù)Km↑），則，控制越精確。

l

轉(zhuǎn)速

注：實(shí)際的步進(jìn)電機(jī)步距角30°太大，必須減小：增加相數(shù)，即增加拍數(shù)

（相數(shù)越多，驅(qū)動(dòng)電源就越復(fù)雜，常用的相數(shù)m為2、3、4、5、6，不能再增加）增加轉(zhuǎn)子的齒數(shù)（常用）典型結(jié)構(gòu)如圖40個(gè)齒步進(jìn)電機(jī)的帶電定位停車時(shí)，轉(zhuǎn)子不再受到定子磁場的作用力，轉(zhuǎn)子將因慣性而可能繼續(xù)轉(zhuǎn)過某一角度，因此必須解決停車時(shí)的轉(zhuǎn)子定位問題反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般是在最后一個(gè)脈沖停止時(shí)，在該繞組中繼續(xù)通以直流電，即采用帶電定位的方法。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因轉(zhuǎn)子本身有磁性，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位，不需采用帶電定位的方法。角位移量與輸入脈沖數(shù)成正比，不受電壓及環(huán)境溫度的影響，也沒有累積的定位誤差轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比，控制輸入的脈沖頻率就能準(zhǔn)確地控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以在寬廣的范圍內(nèi)精確地調(diào)速。三.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)、應(yīng)用與選擇特點(diǎn)：應(yīng)用：廣泛用用于計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中和數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化設(shè)備等。

選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)要根據(jù)在系統(tǒng)中的實(shí)際工作情綜臺(tái)考慮步距角、轉(zhuǎn)矩、頻率以及精度是否能滿足系統(tǒng)的要求。步進(jìn)電機(jī)的選擇運(yùn)行特性1靜態(tài)運(yùn)行狀態(tài)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不改變通電的狀態(tài)稱為靜態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。靜態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角特性，簡稱矩角特性T=f(θ)，是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本特性。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩就是同步轉(zhuǎn)矩（即電磁轉(zhuǎn)矩），轉(zhuǎn)角就是通電相的定、轉(zhuǎn)子齒中心線間用電角度表示的夾角θ，如圖所示。可見轉(zhuǎn)矩T隨轉(zhuǎn)角θ作周期變化，變化周期是一個(gè)齒距，即2π電弧度。定轉(zhuǎn)子間作用力

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明:反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角特性接近正弦曲線，如圖反應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性。在θ=0處，轉(zhuǎn)子處于穩(wěn)定平衡位置,即通電相定、轉(zhuǎn)子齒對齊位置。因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)子處于這個(gè)位置時(shí)，如有外力使轉(zhuǎn)子齒偏離這個(gè)位置，只要偏離角θ在0°＜θ＜180°的范圍內(nèi)，除去外力，轉(zhuǎn)子能自動(dòng)地重新回到原來位置。θ=±π這個(gè)位置是不穩(wěn)定的，兩個(gè)不穩(wěn)定點(diǎn)之間的區(qū)域構(gòu)成靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Tmax，它表示了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)承受負(fù)載的能力，是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最主要的性能指標(biāo)之一。1)矩角特性靜止時(shí)若有外部轉(zhuǎn)矩作用于轉(zhuǎn)軸上，迫使轉(zhuǎn)子離開初始平衡位置而偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子偏離初始平衡位置的電角度稱為失調(diào)角θ轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，也稱靜態(tài)轉(zhuǎn)矩

T=-kI2sinθ2)最大靜轉(zhuǎn)矩：θ為90度時(shí)

T=-kI22

步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)與控制脈沖的頻率有關(guān)。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在極低的頻率下運(yùn)行時(shí)，后一個(gè)脈沖到來之前，轉(zhuǎn)子已完成一步，并且運(yùn)動(dòng)已基本停止，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)由一個(gè)個(gè)單步運(yùn)行狀態(tài)所組成。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單步運(yùn)行狀態(tài)為一振蕩過程。如圖

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩將小于最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，并隨著脈沖頻率的升高而降低。頻率很高，周期很短，電流來不及增長，顯然，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩也減小了。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩與頻率的關(guān)系，即所謂矩頻特性，是一條下降的曲線，如圖所示，這也是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)重要特性之一。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)過程步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性1)動(dòng)穩(wěn)定區(qū)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)切換到另一穩(wěn)定狀態(tài)而不失步的區(qū)域。2)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將不能起動(dòng)。3)起動(dòng)頻率（希望盡量大）4)矩頻特性（轉(zhuǎn)矩隨頻率的增大而減?。?.反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)特性

步距角（θ）及步距誤差

步距角越小,控制越精確。

步距誤差直接影響執(zhí)行部件的定位精度.

最高啟動(dòng)頻率

最高啟動(dòng)頻率與步進(jìn)電機(jī)的慣性負(fù)載有關(guān).

最高工作頻率與負(fù)載有關(guān)，在同樣負(fù)載下，最高工作頻率遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率。

矩頻特性Mdf3

驅(qū)動(dòng)電源步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由專用的驅(qū)動(dòng)電源來供電的，驅(qū)動(dòng)電源和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一個(gè)有機(jī)的整體。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，基本上包括變頻信號(hào)源，脈沖分配器和脈沖放大器三個(gè)部分，如圖所示。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的連接微機(jī)輸出端口輸出端口光電隔離電路光電隔離電路光電隔離電路光電隔離電路光電隔離電路A相放大電路B相放大電路C相放大電路A相放大電路B相放大電路C相放大電路環(huán)形分配器步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)ABCABC進(jìn)給方向進(jìn)給脈沖步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成

進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控裝