步进电机原理2(三相)

特种电机及其控制1第3章步进电动机及其控制SteppingMotors特种电机及其控制23.1步进电动机的结构与工作原理机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。特点：(1)给一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，改变转动方向。特种电机及其控制3以反应式为例说明步进电机的结构和原理通常按励磁方式分为三大类：1）反应式：转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小齿、步距小。应用最广。2）永磁式：转子为永磁材料，转子的极数=每相定子极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大3）感应子式(混合式)：转子为永磁式、两段，开小齿，混合反应式与永磁式优点：转矩大、动态性能好、步距角小。但结构复杂，成本较高。步进电动机的种类：特种电机及其控制43.1.1步进电动机结构反应式步进电机特点1)定转子开小齿2)定转子均为软磁材料3)小步距特种电机及其控制5步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极。定子转子定子绕组特种电机及其控制6定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线路的联接和组数的区别。ABC定子转子IAIBIC特种电机及其控制7永磁式步进电机结构特点1)转子磁极为永磁材料2)定子每极相数等于转子极数3)不开小齿，大步矩、大力矩特种电机及其控制8混合式步进电机(Hybrid)结构特点：转子永磁、两极，定转子均开小齿，混合二者优点。特种电机及其控制93.1.2工作方式三相步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。一、三相单三拍（1）三相绕组联接方式：Y型（2）三相绕组中的通电顺序为：A相B相C相通电顺序也可以为：A相C相B相特种电机及其控制10（3）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A相通电，A方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁A相通电使转子1、3齿和AA'对齐。CA'BB'C'A3412特种电机及其控制11CA'BB'C'AB相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；C'CA'BB'AC相通电再转30特种电机及其控制12这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过30。此角称为步距角，用S表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。特种电机及其控制13二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：AABBBCCCAA共六拍。工作过程：A相通电，转子1、3齿和A相对齐。CA'BB'C'A3412特种电机及其控制14所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA'通电，转子转了15°。（1）BB'磁场对2、4齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。A、B相同时通电（2）AA'磁场继续对1、3齿有拉力。CA'BB'C'A特种电机及其控制15总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15。CA'BB'C'AB相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。特种电机及其控制16三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：ABBCCAAB共三拍。AB通电CA'BB'C'ACA'BB'C'ABC通电特种电机及其控制17以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即S=30。CA通电CA'BB'C'A特种电机及其控制183.1.3小步距角的步进电动机实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。特种电机及其控制19转子的齿距等于360/40=9，齿宽、齿槽各4.5。为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。特种电机及其控制20工作原理：假设是单三拍通电工作方式。（1）A相通电时，定子A相的五个小齿和转子对齐。此时，B相和A相空间差120，含120/9=齿A相和C相差240，含240/9=个齿。所以，A相的转子、定子的五个小齿对齐时，B相、C相不能对齐，B相的转子、定子相差1/3个齿（3），C相的转子、定子相差2/3个齿（6）。31133226特种电机及其控制21若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转1.5。步进电机的转动方向仍由相序决定。同理，C相通电再转3……（2）A相断电、B相通电后，转子只需转过1/3个齿（3），使B相转子、定子对齐。特种电机及其控制223.1.4步进电机的特点1）步进电机工作时，每相绕组由专门的驱动电源通过“环形分配器”按一定规律轮流通电。步进电机轮流通电方式——分配方式每一次循环所包含的通电状态数——拍数状态数=相数——单拍制分配方式(如：三相单三拍、四相双四拍)状态数=相数的两倍——双拍制分配方式(如：三相六拍、四相八拍)Nff相通电脉冲频率拍数特种电机及其控制23步进机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角。N:一个周期的运行拍数Zr：转子齿数NZrS360如：Zr=40,N=3时3340360S2)步距角拍数：N=kmk=1单拍制2双拍制m:相数特种电机及其控制243)转速每输入一个脉冲，电机转过NZrS360min)/(63603606060rfNZfNZfnsrr即转过整个圆周的1/(ZrN）,也就是1/(ZrN）转因此每分钟转过的圆周数，即转速为4)步进电机具有自锁能力当控制脉冲停止输入、而使最后一个脉冲控制的绕组继续通电时，电机可以保持在固定位置。特种电机及其控制253.2反应式步进电机的特性3.2.1步进电机的振荡、失步与对策步进电动机的振荡和失步是—种普遍存在的现象，它影响应用系统的正常运行，国此要尽力去避免。1、振荡步进电动机的振荡现象主要发生于：步进电动机工作在低频区；步进电动机工作在共振区；步进电动机突然停车时。特种电机及其控制261）低频振荡：当步进电动机工作在低频区时，由于励磁脉冲间隔的时间较长，步进电动机表现为单步运行。当励磁开始时，转子在电磁力的作用下加速转动。在到达平衡点时。电磁驱动转矩为零，但转子的转速最大．由于惯性，转子冲过平衡点。这时电磁力产生负转还，转子在负转矩的作用下，转速逐渐为零，并开始反向转动。当转子反转过平衡点后。电磁力又产生正转矩，迫使转子又正向转动。如此下去，形成转子围绕平衡点的振荡。由于有机械摩擦和电磁阻尼的作用，这个振荡表现为衰减振荡、最终稳定在平衡点。特种电机及其控制272）低频共振：当步进电动机的脉冲频率接近步进电动机的固有振荡频率或振荡频率的分频或倍频时，会使振荡加剧，严重时造成失步。当步进电动机工作在高频区时，由于换相周期短，转子来不及反冲。同时。绕组中的电流尚未上升到稳定值，转子没有获得足够的能量，所以在这个上作区中不会产生振荡。特种电机及其控制282、失步：步进电动机的失步原因有2种：2）转子的平均速度大于旋转磁场的速度。这主要发生在制动和突然换向时，转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步。例：步进电动机在启动时，如果脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量，转子无法跟上旋转磁场的速度，所以引起失步。因此，步进电动机有一个启动频率。超过启动频率启动时，肯定会产少失步。注意：启动频率不是一个固定值．提高电动机的转矩、减小负载转动惯量、减小步距角都可以提高步进电动机的启动频率。1）转子的转速慢于旋转磁场的速度、或者说慢于换相速度。特种电机及其控制293、消除振荡——阻尼方法：机械阻尼法和电子阻尼法机械阻尼法比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器，电子阻尼法则有多种：1)多相励磁法多相励磁会产生电磁阻尼，削弱或消除振荡现象，如电动机的双三拍和六柏方式。2)变频变压法步进电机在高频和在低频时转子所获得的能量不一样。在低频时，绕组中的电流上升时间长，转子获得的能量大，因此容易产生振荡，在高频时则相反。所以，可以设计一种电路，使电压随频率的降低而减小，这样使绕组在低频时的电流减小，可以有效地消除振荡。特种电机及其控制303)细分步法将步进电动机绕组中的稳定电流分成若干级，每进一步，电流升一级，也相对地提高步进频率，使步进过程平稳进行。4)反相阻尼法——用于步进电动机制动在步进电动机转子要过平衡点之前，加一个反向作用力以平衡惯性力，使转子到达平衡点时速度为零，实现准确制动。例如，三相步进电动机工作在单三拍，正处于B拍，并希望它停在C拍，则控制换相B-C-B-C,第二个B拍起平衡惯性力作用，而不是让电动机走一步特种电机及其控制31单相通电时矩角特性3.2.2步进电机的矩角特性零位——转子处于平衡点的位置失调角——转子偏离零位线的夹角e,失调角是在齿距角范围内变化的，为了表示方便，将齿距角的范围看成2电角度。1、单相通电特种电机及其控制32e=0无切向力Te=0e0切向力负转矩e=/2Te=maxe=两齿之间切向力抵Te=0e位于下个定子齿附近，产生正转矩特种电机及其控制33三相电机两相通电的矩角特性2、多相通电对于三相步进电动机来说，两相通电时的最大转矩与单相通电时的最大转矩相同，也就是说，三相步进电动机不能靠增加通电相数来提高最大转矩。多相通电时的矩角特性可近似地由每相单独通电时的矩角特性叠加求出特种电机及其控制343．单步运行与最大负载能力1）负载TLTq----A相通电稳定平衡位置为a点，而非O点，对应整步转矩正好平衡负载转矩A相B相:转子位置来不及变化（惯性），矩角特性变为曲线B,TbTL转子加速向新平衡点a运动。特种电机及其控制35步进运行所能提供的连续的最大驱动转矩为A、B两条曲线的交点纵坐标Tq。只有当负载转短TL＜Tq时，步进电动机才能带动负载作步进运动。因此，Tq称为最大负载转矩或启动转矩。2）负载TLTq----A相通电稳定平衡位置为d点A相B相:转子位置来不及变化（惯性），矩角特性变为曲线B,TdTL转子不能向新平衡点e运动。特种电机及其控制36三相电机两相通电的矩角特性三相步进电机六拍通电方式下，Tq升高，有助于电机的稳定运行。特种电机及其控制373.2.3步进电机的矩频特性步进电动机的输出转矩与控制脉冲频率之间的关系称为矩频特性步进电动机矩频特性特点：下降曲线。以最大负载转矩（启动转矩）Tq为起点，随着控制脉冲频率增加，步进电动机的转速逐步升高、而带负载能力却下降共振区特种电机及其控制38矩频特性下降的原因：步进电动机的驱动电路1）、绕组电感影响：绕组中的电流上升和下降都需要—定的时间。当脉冲频率较低时绕组通电的周期较长，电流的平均值较大，电动机获得的能量较高，能维持较高的转矩；当脉冲频率较高时，绕组中通电的周期较短,电流的平均值较小，电动机获得的能量较少，转矩下降。2）铁耗：随着频率上升，转子转速升高，在定子绕组中产生的附加旋转电势使电动机受到更大的阻尼转矩，铁芯的涡损也增加。特种电机及其控制391)减小时间常数可增大电阻。为了保证通电回路中的电流不变，在增加电阻的同时，还要提高电源电压。2)改进工作方式采用多相励磁的工作方式，例如，三相步进电动机的双三拍、六拍方式。多相励磁工作方式使每一相通电的时间延长，电动机就能获得较多的能量，使高额时输出的转矩增加。提高矩频特性的高频性能措施特种电机及其控制403.3步进电动机驱动控制器的构成1、对驱动电源的基本要求1）驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都满足步进电动机的需要；2）要满足步进电动机的起动频率和运行频率的要求；3）能最大限度地抑制步进电动机