電機(jī)學(xué)步進(jìn)電機(jī)

電機(jī)學(xué)步進(jìn)電機(jī)第1頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

6.1簡(jiǎn)介步進(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(xiàn)位移的控制電機(jī)。6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)它每接收一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一角度，稱(chēng)為步距角。由于這種電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是斷續(xù)地一步步進(jìn)行的，所以被稱(chēng)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步機(jī)電動(dòng)機(jī)的脈沖信號(hào)，一般由脈沖分配器和功率放大器兩部分組成的驅(qū)動(dòng)器提供，并由它確定輸入脈沖的個(gè)數(shù)、頻率、分配到各控制繞組的次序以及同時(shí)輸入控制繞組的數(shù)目。第2頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月種類(lèi)：勵(lì)磁方式磁阻式(反應(yīng)式)永磁式混合式運(yùn)行方式直線(xiàn)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器脈沖信號(hào)輸入6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)第3頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子一般為凸極式，設(shè)置多相繞組用作控制繞組來(lái)接收電脈沖。轉(zhuǎn)子亦為凸極，可由軟鐵或永久磁鐵構(gòu)成，也可以是帶齒的圓柱形鐵心。6.2工作原理

三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子為凸極式，共有三對(duì)磁極磁極上設(shè)置控制繞組。相對(duì)的兩個(gè)極的線(xiàn)圈串聯(lián)聯(lián)接，形成一相控制繞組。轉(zhuǎn)子用軟磁材料制成，也是凸極，但轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組。第4頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)圖示轉(zhuǎn)子為兩極，步進(jìn)機(jī)中稱(chēng)轉(zhuǎn)子極為齒極，轉(zhuǎn)子齒極數(shù)以表示。下面通過(guò)幾種基本控制方式來(lái)說(shuō)明其工作原理。三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)a)A相通電時(shí) b)B相通電時(shí)第5頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)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(shí)給二相繞組通電；“三拍”—指通電三次完成一個(gè)循環(huán)6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)第6頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月A相導(dǎo)通B相導(dǎo)通1.三相單三拍運(yùn)行方式6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)第7頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月C相導(dǎo)通A相導(dǎo)通6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)第8頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(dòng)，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(chēng)為一拍，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的空間角度稱(chēng)為步距角。齒距角：步距角：6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)第9頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)給兩相繞組通電，且三次換接為一個(gè)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相導(dǎo)通6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)第10頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(gè)循環(huán)，因此步距角為：A相導(dǎo)通B相導(dǎo)通AB相導(dǎo)通6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)第11頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.小步距角反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)6.3基本構(gòu)造上述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為15°、30°。在實(shí)際應(yīng)用中常嫌太大，為提高精度和擴(kuò)大其功能，制成小步距角電動(dòng)機(jī)。第12頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電機(jī)齒的相對(duì)位置a)A相通電 b)B相通電電機(jī)齒的相對(duì)位置a)A、B相通電 b)B、C相通電第13頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)等于定子極對(duì)數(shù)，即m=p，轉(zhuǎn)子齒數(shù)的數(shù)值要受下列兩個(gè)條件的限制：①正對(duì)面的兩個(gè)極屬于同一相，某相通電時(shí)，這兩個(gè)極的齒都應(yīng)與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊，所以轉(zhuǎn)子齒數(shù)必須是偶數(shù)；②某相磁極的齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊時(shí)，相鄰磁極齒與轉(zhuǎn)子齒應(yīng)錯(cuò)開(kāi)t/m。齒數(shù)不能任意確定，則步距角亦將不是隨意的，在選用步進(jìn)電機(jī)時(shí)要注意。第14頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2、多段式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)前述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與一般電機(jī)相同，定、轉(zhuǎn)子均為一段鐵心（不計(jì)通風(fēng)槽的影響），各相繞組沿圓周均勻排列，所以也叫做徑向分相的結(jié)構(gòu)。與它相對(duì)的是所謂軸向分相，它的定轉(zhuǎn)子鐵心分成m段，所以也稱(chēng)為多段式結(jié)構(gòu)。第15頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三段式三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)a)結(jié)構(gòu)示意圖1—控制繞組 2—定子鐵心3—軸承4—轉(zhuǎn)軸5—轉(zhuǎn)子鐵心b)三段定轉(zhuǎn)子齒相對(duì)位置圖第16頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)3、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子為凸極，控制繞組為兩相、相隔一極的繞組屬同一相。轉(zhuǎn)子為兩對(duì)永久磁鐵磁極。A相加正脈沖時(shí)，第1、3、5、7極激勵(lì)磁場(chǎng)，極性為S、N、S、N，可見(jiàn)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定位置恰如圖所示。然后，B相加正脈沖，第2、4、6、8極分別呈S、N、S、N極性，于是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)45°。第三拍A相加負(fù)脈沖，奇數(shù)極極性呈N、S、N、S。與第一拍相反，這時(shí)轉(zhuǎn)子恰好被吸而又轉(zhuǎn)過(guò)45°。第17頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)這種電動(dòng)機(jī)步距角較大，控制電源需有正負(fù)脈沖，優(yōu)點(diǎn)是消耗的電功率比反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)小。在斷電沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，它有定位轉(zhuǎn)矩，即表示它的轉(zhuǎn)子只能鎖定在某幾個(gè)位置，不像反應(yīng)式電機(jī)，當(dāng)無(wú)信號(hào)時(shí)，其轉(zhuǎn)子位置可以是任意的。第18頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)4、永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī))這種電機(jī)的原理結(jié)構(gòu)圖如所示，其定子結(jié)構(gòu)與小步距角單段反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相似，其相數(shù)，極數(shù)同。轉(zhuǎn)子中段為軸向充磁的環(huán)形永久磁鐵，兩端軟鐵制成圓周開(kāi)了齒槽的轉(zhuǎn)子鐵心，沿軸向兩端鐵心上的子齒錯(cuò)過(guò)1/2齒距，定轉(zhuǎn)子齒槽的齒距是相同的。第19頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)5、單相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于鐘、手表中的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常常是單相式，亦即是只有一個(gè)接受信號(hào)的繞組，其轉(zhuǎn)子為圓片狀永久磁鐵，徑向充磁為兩極型。單相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理圖

a)接受正脈沖前轉(zhuǎn)子位置b)接受負(fù)脈沖前轉(zhuǎn)子位置c)秒脈沖信號(hào)

第20頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)基本特性1、矩角特性6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)當(dāng)電動(dòng)機(jī)為理想空載（指負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括摩擦轉(zhuǎn)矩在內(nèi)等于零），且電動(dòng)機(jī)在某一種通電狀態(tài)下，其轉(zhuǎn)子所處的位置稱(chēng)為零位或穩(wěn)定平衡位置。電動(dòng)機(jī)帶上負(fù)載，則轉(zhuǎn)子位置便將偏離零位，稱(chēng)與零位間的角度為失調(diào)角。此時(shí)，電機(jī)能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T和失調(diào)角的關(guān)系稱(chēng)為矩角特性。第21頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)a)矩角特性曲線(xiàn)

b)轉(zhuǎn)矩和失調(diào)角正方向的設(shè)定第22頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)矩角特性我們主要關(guān)心的是它的波形和最大值。從希望來(lái)說(shuō)，矩角特性以接近矩形為好，微小的失調(diào)角便有最大的轉(zhuǎn)矩。但實(shí)際的矩角特性接近正弦波，曲線(xiàn)的最6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)大轉(zhuǎn)矩正比于控制繞組的電流平方及同時(shí)通電的相數(shù)。在分析步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作特性時(shí)，不僅要知道某一條矩角特性，而且要知道各個(gè)通電狀態(tài)下的矩角特性，即所謂矩角特性曲線(xiàn)族。曲線(xiàn)族中每一相鄰曲線(xiàn)錯(cuò)開(kāi)一個(gè)以電角度表示的步距角第23頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相單三拍運(yùn)行時(shí)矩角特性曲線(xiàn)族，—第n拍靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)—第n+1拍靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)

第24頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.單脈沖運(yùn)行當(dāng)加上一個(gè)控制脈沖信號(hào)，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(xiàn)，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(shí)，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(dòng)。因此稱(chēng)區(qū)間ab為電動(dòng)機(jī)空載時(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)C6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)僅只對(duì)電動(dòng)機(jī)加上一個(gè)控制脈沖的運(yùn)行方式。第25頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只要負(fù)載阻力轉(zhuǎn)矩小于相鄰矩角特性的交點(diǎn)處的電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)就可正常實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。稱(chēng)該交點(diǎn)處的轉(zhuǎn)矩為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩第26頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月TL1<Tst因新的矩角特性曲線(xiàn)上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子加速并向q增大的方向運(yùn)動(dòng)，最終到達(dá)新的穩(wěn)定平衡點(diǎn)o’1.TL2>Tst新矩角特性上對(duì)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(dòng)，因此不能作步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)第27頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由此可知，步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩(最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩)Tst，才能保證電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。若矩角特性為幅值相等的正弦波時(shí)，可得：由式可見(jiàn)，如果相同，增加拍數(shù)，減小步距角可以增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子振蕩過(guò)程：以上分析時(shí)認(rèn)為，切換控制繞組時(shí)，轉(zhuǎn)子單調(diào)地趨向新的平衡位置，但實(shí)際上要經(jīng)過(guò)一個(gè)衰減的振蕩過(guò)程。6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)第28頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月為減小振蕩幅度和時(shí)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(kāi)阻尼。優(yōu)點(diǎn)：方法簡(jiǎn)單，效果好。6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)衰減振蕩過(guò)程及停止時(shí)間的定義第29頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

機(jī)械阻尼方法是增加電機(jī)的摩擦阻力或增加粘性阻力。此法雖然有效，但加大了轉(zhuǎn)子的慣性，使電機(jī)的快速響應(yīng)性能變壞。

電氣阻尼方法簡(jiǎn)便，效果好，因此應(yīng)用廣泛，常用的有①多相勵(lì)磁阻尼法，如改三相單三拍運(yùn)行方式為三相雙三拍運(yùn)行方式，有一相在兩拍間均通電，該相的磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中起著阻尼作用；②延遲斷開(kāi)法，使原通電相在新通電相通電一段時(shí)間再斷開(kāi)，其作用與前一方法相似，如三相單三拍運(yùn)行時(shí)采用延遲斷開(kāi)法，效果同前一方法，但可節(jié)省電源消耗功率。第30頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.連續(xù)脈沖運(yùn)行6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)脈沖運(yùn)行當(dāng)時(shí)，轉(zhuǎn)子的響應(yīng)是很復(fù)雜的。但如果，轉(zhuǎn)子振蕩已衰減完畢，已處于新的平衡位置，轉(zhuǎn)子角速度已為零。所以這種頻率的連續(xù)脈沖運(yùn)行猶如連續(xù)的單脈沖運(yùn)行。第31頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)②極限起動(dòng)頻率：當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載一定時(shí)，如果外加控制脈沖頻率超過(guò)某一臨界值，電機(jī)便會(huì)起動(dòng)不起來(lái)，這一臨界值稱(chēng)為極限起動(dòng)頻率。連續(xù)脈沖的頻率是下列兩個(gè)指標(biāo)的制約：①連續(xù)運(yùn)行頻率：為使電動(dòng)機(jī)不失步（每拍走一步為正常運(yùn)行，每拍不走或多走均為失步）地運(yùn)行的極限頻率。它的數(shù)值隨軸上負(fù)載的增加而下降。小步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)行頻率可達(dá)每秒一萬(wàn)步以上；第32頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)極限起動(dòng)頻率總小于連續(xù)運(yùn)行頻率，一般空載起動(dòng)頻率約為數(shù)千赫。說(shuō)明極限起動(dòng)頻率第33頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)4、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的精度由下列指標(biāo)來(lái)表示：零位誤差和不靈敏區(qū)步距誤差步距累積誤差第34頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)6.5開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)配上一個(gè)可控的開(kāi)關(guān)電路，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置來(lái)合理地正確地導(dǎo)通和關(guān)斷各相電路三相6/4極反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)截面圖按三相單三拍運(yùn)行，〖HJ〗通電方式為A-B-C-A，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。第35頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)SRD基本組成SRD—開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)

L—機(jī)械負(fù)載

θ—位置傳感器i—電流檢測(cè)器

C—控制器

P—功率變換器磁阻電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)自氣隙磁場(chǎng)儲(chǔ)能因轉(zhuǎn)子位置θ角改變而發(fā)生的變化。取決于勵(lì)磁電流i及氣隙磁阻，同樣電流i，但磁阻不同，將激勵(lì)不同的磁鏈。

可寫(xiě)出電磁轉(zhuǎn)矩的表示式第36頁(yè)，課件共38頁(yè)，