第三章 步进电动机new

任课教师：李正强2009－2010学年第二学期2一、教学要求：本章教学:掌握步进电机结构、分类和作用等概念;理解磁阻式步进电机的工作原理;掌握相关基本概念以及步距角和转速等计算;理解磁阻式步进电机的静态特性;了解磁阻式步进电机的动态特性;掌握步进电机驱动电路的组成及作用。二、教学时间安排：5学时3第一节概述第二节磁阻式步进电机的工作原理第三节磁阻式步进电机的静、动态特性第四节混合式步进电机第五节步进电机驱动电路第六节步进电机的选择本章重点：磁阻式步进电机的工作原理本章难点：步进电机的动态特性本章教学:三、主要内容：四、教学过程：4步进电机：是将电脉冲信号转变为角位移的机电执行元件。给一个电脉冲信号，电机前进一步，称之为步进电动机。电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。第一节概述一、步进电机概念和特点给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。5第一节概述一、步进电机概念和特点6低成本；控制简单，能直接实现数字控制；开环控制，位移与脉冲数成正比，速度与脉冲频率成正比；结构简单，无换向器和电刷，坚固耐用；抗干扰能力强；无累积定位误差（一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积）。第一节概述一、步进电机概念和特点2步进电机的特点:优点7单步响应中有较大的超调量和振荡；转速不够平稳，粗糙的低速特性；不适合于高速运行(1000rpm以下）；自振效应；低效率，电机过热（机壳可达90℃）；噪音大，特别在高速运行时；可选择的电机尺寸有限，输出功率较小；位置精度较低。缺点第一节概述一、步进电机概念和特点2步进电机的特点:8二、步进电机分类定子:铁心,绕组转子:铁心磁阻变化产生磁阻转矩使其转动.第一节概述步进电机可分三种：磁阻式（VR），永磁式（PM）和混合式（HB）。1磁阻式(反应式):9定子:铁心,绕组转子:永久磁铁,多对极(与定子磁极对应),极宽相同。二、步进电机分类第一节概述2永磁式:10永磁感应子式,具有磁阻式和永磁式综合特点,即混合了永磁式和反应式的优点。定子具有与磁阻式类似的结构,转子具有与永磁式类似的结构。二、步进电机分类第一节概述3混合式:11永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。混合式步进多为两相和五相：两相步进角一般为1.8度，而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。二、步进电机分类第一节概述4三种类型步进电机比较：12第二节磁阻式步进电机的工作原理一、磁阻式步进电机工作原理：1工作原理:（1）三相单三拍:13(2)三相单，双六拍：第二节磁阻式步进电机的工作原理一、磁阻式步进电机工作原理：1工作原理:通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A14由上面的分析可知，同一台步进电机，其通电方式不同，步距角可能不一样，采用单双拍通电方式，其步矩角S是单拍或双拍的一半；采用双极通电方式，其稳定性比单极要好。第二节磁阻式步进电机的工作原理一、磁阻式步进电机工作原理：1工作原理:(3)总结：15步距角:在静转矩的作用下，转子齿每前进一步在电机圆周上所跨过的距离，我们用一个角度来表示，叫做步距角。拍数(N)：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用N表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。通电循环：控制绕组各完成一次通电形成一个通电循环，每经过一个通电循环（即对应一个2π的空间电角度)，转子齿前进一个齿距的距离。第二节磁阻式步进电机的工作原理一、磁阻式步进电机工作原理：2相关概念：16单：每次改变通电方式只有一个绕组通电。双：每改变一次通电方式有两相绕组同时通电.三相单三拍：通电顺序为A-B-C-A,如果反向,即为A-C-B-A三相单，双六拍:A-AB-B-BC-C-CA-A三相双三拍:AB-BC-CA-AB第二节磁阻式步进电机的工作原理一、磁阻式步进电机工作原理：2相关概念：17磁阻式四相八极，转子50个齿，转子齿距角θt=360°/Zr=360°/50=7.2°。定子极距=Zr/8=6×1/4齿,相邻磁极错开1/4齿。第二节磁阻式步进电机的工作原理一、磁阻式步进电机工作原理：3实际步进电机：A相通电18对于步距角的表示通常有两种方式：(1)用电角度：θS=2π/N例如：三拍式:θS=2π/3，六拍式：θS=2π/6=π/3(2)实际应用中，往往用机械角度来表示：NZrs360第二节磁阻式步进电机的工作原理一、磁阻式步进电机工作原理：3实际步进电机：19这样，步进电动机转速为：)min(6036060rNZfsfnr其中，每个定子磁极下的转子齿数为：mKmpZr12第二节磁阻式步进电机的工作原理一、磁阻式步进电机工作原理：3实际步进电机：20式中m为相数，2p为一相绕组通电时在气隙圆围上形成的磁极数，K为正整数。那么转子总的齿数为。)1(2mKmpZr第二节磁阻式步进电机的工作原理一、磁阻式步进电机工作原理：3实际步进电机：21一台四相八极反应式步进电动机，转子50个齿，求N为4和8时的步距角：N=4时，θS=3600/4Zr=1.80N=8时，θS=3600/8Zr=0.90若脉冲频率f=800(脉冲/秒),N=4(整步）转速为：若N=8（半步）,则转速n=120(rpm)6060800240)504rfnrpmZN（第二节磁阻式步进电机的工作原理一、磁阻式步进电机工作原理：具体举例：22电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。第二节磁阻式步进电机的工作原理一、磁阻式步进电机工作原理：具体举例：23第三节磁阻式步进电机的静、动态特性一静态特性：步进电动机不改变通电情况的运行状态称为静态运行。失调角：电机定子齿与转子齿中心线之间的夹角叫做失调角，用电角度表示。静转矩和失调角之间的特性曲线，叫做矩角特性。静转矩T与失调角的关系近似为：T=-Tmsin。24这样，我们就可以作出相应的曲线。步进电动机的工作过程就是实现失调角为零的过程.第三节磁阻式步进电机的静、动态特性一静态特性：25当电脉冲频率较低，电机转子完成一步之后，下一个脉冲才到来，电机一步一停的转动，这种状态称之为步进运行状态。第三节磁阻式步进电机的静、动态特性二动态特性：（步进运行状态）（1）空载运行情况：26静稳定区：正在通电的绕组的静稳定区称之为静稳定区。A相通电时，-为静稳定区动稳定区：下一个通电绕组的静稳定区称之为动稳定区，如图所示。-+s+θs（图中θs=）,在换接的瞬间，转子的位置只要停留在此区域内，就能趋向新的稳定平衡点b，所以区域（-+b，+b）称为动稳定区。第三节磁阻式步进电机的静、动态特性二动态特性：（步进运行状态）27通电时，转子每旋转一步最后停留的位置必须在动稳定区内，即：静、动稳定区必须有所重叠，且从稳定性的角度来看，重叠区间越大越好，下一步就可继续沿着原来的旋转方向转动。第三节磁阻式步进电机的静、动态特性二动态特性：（步进运行状态）28（2）负载运行情况：第三节磁阻式步进电机的静、动态特性二动态特性：（步进运行状态）29负载运行时，转子除了每一步必须停留在动稳定区内，还必须满足，在每一步的平衡点处，下一相通电的静转矩TTL,这样，转子就可以一步一步的沿着原来的方向继续进行，步进电机能够带负载作步进运行的最大值TLmax即是两相矩角曲线交点处的电机静转矩。（2）负载运行情况：第三节磁阻式步进电机的静、动态特性二动态特性：（步进运行状态）30当脉冲的频率f增高，前一个脉冲还未结束，下一个脉冲已经到来，此时，步进电动机已经不是一步一步地转动，而是呈连续运转状态，脉冲频率升高，电机转速增加。我们同样可以作出相应的矩频特性（步进电机的平均转矩与驱动电源脉冲频率的关系叫做矩频特性）。第三节磁阻式步进电机的静、动态特性二动态特性：（连续运行状态）31Tf注意：电机绕组是一电感线圈，具有阻碍电流变化的能力，使得控制绕组的电流来不及上升到稳态值。频率越高，电流上升到达的数值也就越小，因而电机的电磁转矩也越小。电机的带载能力就有所下降！第三节磁阻式步进电机的静、动态特性二动态特性：（连续运行状态）32①相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。②定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）③静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。三步进电机的技术指标：第三节磁阻式步进电机的静、动态特性（1）步进电机的静态指标33①步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角×100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在1.5%以内。②失步：若步进电机动态转矩小于负载转矩，使电机停止转动，则电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数,称之为失步。③失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。三步进电机的技术指标：第三节磁阻式步进电机的静、动态特性（2）步进电机的动态指标34④最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。⑤最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。⑥运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性。三步进电机的技术指标：第三节磁阻式步进电机的静、动态特性（2）步进电机的动态指标35三步进电机的技术指标：第三节磁阻式步进电机的静、动态特性（2）步进电机的动态指标运行矩频特性36三步进电机的技术指标：第三节磁阻式步进电机的静、动态特性（2）步进电机的动态指标37⑦电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相混合式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度）。电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，为使电机输出转矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。三步进电机的技术指标：第三节磁阻式步进电机的静、动态特性（2）步进电机的动态指标38第四节混合式步进电机混合式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。一特点：混合式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相，八拍运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=,D=。AB39第四节混合式步进电机一特点：40一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。第四节混合式步进电机一特点：感应式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。二分类：41使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：第五节步进电机驱动电路一驱动控制系统：42