第11章 步进电动机new

第11章步进电动机第11章步进电动机11.1概述11.2反应式步进电动机的工作原理和基本特点11.6电源及分配方式对电机性能的影响11.7步进电动机主要性能指标11.8其它类型的步进电动机思考题与习题第11章步进电动机11.1概述步进电动机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。如图11-0所示。其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步，如图11-1所示。步进电动机的角位移量θ或线位移量s与脉冲数k成正比；它的转速n或线速度v与脉冲频率f成正比。第11章步进电动机图11-0各种步进电动机第11章步进电动机图11-1步进电动机的功用第11章步进电动机图11-2步进电动机的控制特性第11章步进电动机优点:1.不需要进行数/模变换，能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适用于微机控制。2.在负载能力范围内，这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。因而可适用于开环系统中作执行元件，使控制系统大为简化。3.步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速，可实现无极调速。4.灵敏度高，能够快速启动、反转和制动。第11章步进电动机5.速度变化时不失步。6.步距角变化大、且精度高。7.控制脉冲与角度位移能精确同步。在单片机应用系统中，可以利用电机控制脉冲与它的角位移精确同步的特点，实现对物理量的控制。8.控制方便、可靠，具有自锁能力，能精确定位。第11章步进电动机随着数字技术和电子计算机的迅速发展，步进电动机广泛应用于机械加工的数控机床、绘图机、轧钢机的自动控制、计算机外围设备、自动记录仪表和数模变换装置等方面。另外在工业自动化生产线（如自动送料机）、印刷设备、银行自动柜员机和钟表等中亦有应用。若采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。下面着重介绍应用在数控机床中的步进电动机。第11章步进电动机在现代工业，特别是航空、导弹、无线电等工业中，要求加工的机械零件形状复杂，数量多，精度高，利用人工操作不仅劳动强度大，生产效率低，而且难以达到所要求的精度。例如图11-3是一个劈锥，形状比较复杂，精度要求比较高，用普通机床或仿形机床加工都是有困难的；通常用坐标镗床一点一点地加工，然后进行人工修整，这样耗费的时间就太长了。为了缩短生产周期，提高生产效率，可用程序控制铣床进行加工。第11章步进电动机图11-3复杂零件的加工第11章步进电动机铣床需要作3种动作：(1)铣刀作径向移动(Y方向)；(2)工件以轴为中心作旋转(θ方向)；(3)工件沿轴向移动(X方向)。为了达到精度要求，对这3种动作必须非常准确地进行控制。数字程序控制铣床就是可以准确地进行自动控制的机床。第11章步进电动机在数控铣床中，上面3个方向的动作分别由3个步进电动机即Y方向步进机，X方向步进机，θ方向步进机来拖动，每一个方向步进电动机都由电脉冲控制。加工零件时，根据零件加工的要求和加工的工序编制计算机程序语言；计算机就对每一方向的步进电动机给出相应的控制电脉冲，指令步进电动机按照加工的要求依次做各种动作，如转速加快、减慢、启动、停止、正转、反转等；然后步进电动机再通过滚珠丝杠带动机床运动。数控机床整个工作示意图如图11-4所示。第11章步进电动机图11-4数控机床工作示意图第11章步进电动机由于机床各个方向严格地按照根据零件加工的形状所编的控制程序协调地动作，因此就能自动地加工出精度高、形状复杂的零件。不但可以大大地提高劳动效率，而且加工精度也高。除了数控铣床外，还有数控车床、数控钻床、线切割机床等，其工作原理都与数控铣床相类似。步进电动机是数控机床中的关键元件。“功率步进电动机”可以不通过力矩放大装置，直接由功率步进电动机来带动机床运动，从而提高了系统精度，简化了传动系统的结构。第11章步进电动机对步进电动机的基本要求是：(1)步进电动机在电脉冲的控制下能迅速启动、正反转、停转及在很宽的范围内进行转速调节；(2)为了提高精度，要求一个脉冲对应的位移量小，并要准确、均匀。这就要求步进电动机步距小、步距精度高，不得丢步或越步；(3)动作快速。即不仅启动、停步、反转快，并能连续高速运转以提高劳动效率；(4)输出转矩大，可直接带动负载。第11章步进电动机11.2反应式步进电动机的工作原理和基本特点11.2.1典型结构和工作原理按励磁方式分类，步进电动机可分为反应式、永磁式和感应子式。其中反应式步进电动机比较普遍，结构也较简单。反应式步进电动机又称为磁阻式步进电动机。第11章步进电动机图11-5四相反应式步进电动机的结构第11章步进电动机一台四相电机，定子铁心由硅钢片叠成，定子上有8个磁极(大齿)，每个磁极上又有许多小齿。四相反应式步进电动机共有4套定子控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。转子铁心也是由硅钢片叠成，沿圆周有很多小齿，转子上没有绕组。根据工作要求，定子磁极上小齿的齿距和转子上小齿的齿距必须相等，而且转子的齿数有一定的限制。图中转子齿数为50个，定子每个磁极上小齿数为5个。第11章步进电动机反应式步进电动机的工作原理与反应式同步电动机一样，也是利用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动的。图11-6是一台三相反应式步进电动机，定子有6个极，不带小齿，每两个相对的极上绕有一相控制绕组，转子只有4个齿，齿宽等于定子的极靴宽。第11章步进电动机图11-6(a)A相接通；(b)B相接通；(c)C相接通第11章步进电动机当A相控制绕组通电，而B相和C相都不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，所以转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐。同理，当断开A相接通B相时，转子便按逆时针方向转过30°，使转子齿2和4的轴线与定子B极轴线对齐。断开B相，接通C相，则转子再转过30°，使转子齿1和3的轴线与C极轴线对齐。第11章步进电动机如此按A-B-C-A……顺序不断接通和断开控制绕组，转子就会一步一步地按逆时针方向连续转动。其转速取决于各控制绕组通电和断电的频率(即输入的脉冲频率)，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。如上述电机通电次序改为A-C-B-A……则电机转向相反，变为按顺时针方向转动。第11章步进电动机这种按A-B-C-A……方式运行的称为三相单三拍运行。所谓“三相”，是指此步进电动机具有三相定子绕组；“单”是指每次只有一相绕组通电；“三拍”指三次换接为一个循环，第四次换接重复第一次的情况。第11章步进电动机三相步进电动机还有三相六拍和三相双三拍运行。三相六拍运行的供电方式是A-AB-B-BC-C-CA-A……这时，每一循环换接6次，总共有6种通电状态，这6种通电状态中有时只有一相绕组通电(如A相)，有时有两相绕组同时通电(如A相和B相)。步距角为15°。三相双三拍运行的供电方式是AB-BC-CA-AB……，步距角也为30°。图11-7表示按这种方式对控制绕组供电时转子位置和磁通分布的图形。第11章步进电动机图11-7三相六拍运行(1)(a)A相通电；(b)A、B相通电；(c)B相通电；(d)B、C相通电第11章步进电动机图11-7三相六拍运行(2)(a)A相通电；(b)A、B相通电；(c)B相通电；(d)B、C相通电第11章步进电动机如果运行方式改为四相八拍，其通电方式为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A……即单相通电和两相通电相间时，当A相通电转到A、B两相同时通电时，定、转子齿的相对位置由图11-8所示的位置变为图11-9那样的位置(只画出A、B两个极下的齿)，转子按顺时针方向只转过1/8齿距角，（转子齿数为50）即0.9°，A极和B极下的齿轴线与转子齿轴线都还错开1/8齿距角。第11章步进电动机图11–8A相通电时定、转子齿的相对位置第11章步进电动机图11–9A、B两相通电时定、转子齿的相对位置第11章步进电动机转子受到两个极的作用力矩大小相等，但方向相反，故仍处于平衡。当B相一相通电时，转子齿轴线与B极下齿轴线相重合，转子按顺时针方向又转过1/8齿距角。这样继续下去，每换接一次绕组，转子转过1/8齿距角。四相八拍运行时的步距角是四相四拍运行时的1/2。当步进电动机运行方式为四相双四拍，即AB-BC-CD-DA-AB……方式通电时，步距角与四相单四拍运行时一样为1/4齿距角，即1.8°。第11章步进电动机图11-13定、转子间的作用力第11章步进电动机11.2.2基本特点(1)步进电动机工作时，每相绕组由专门驱动电源（变频信号源）通过“环形分配器”（脉冲分配器）按一定规律轮流通电。例如一个按三相双三拍运行的环形分配器输入是一路，输出有A、B、C三路。若开始是A、B这两路有电压，输入一个控制电脉冲后，就变成B、C这两路有电压，再输入一个电脉冲，则变成C、A这两路有电压，再输入一个电脉冲，又变成A、B这两路有电压了。第11章步进电动机环形分配器输出的各路脉冲电压信号，经过各自的放大器放大后送入步进电动机的各相绕组，使步进电动机一步步转动。图11-10表示三相步进电动机控制方框图，图11-11表示三相双三拍运行时控制电脉冲及各相控制电压随时间变化的波形图。第11章步进电动机图11-10控制方框图第11章步进电动机图11-11三相双三拍运行时各相控制电压波形图第11章步进电动机步进电动机这种轮流通电的方式称为“分配方式”。每循环一次所包含的通电状态数称为“状态数”或“拍数”。状态数等于相数的称为单拍制分配方式(如三相双三拍、四相双四拍等)，状态数等于相数的两倍的称为双拍制分配方式(如三相六拍，四相八拍等)。同一台电机可有多种分配方式。不管分配方式如何，每循环一次，控制电脉冲Uk的个数总等于拍数N，而加在每相绕组上的脉冲电压(或电流)个数却等于1，因而控制电脉冲频率f是每相脉冲电压(或电流)频率f相的N倍，即Nff相第11章步进电动机(2)每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角，用符号θb表示。当电机按四相单四拍运行，即按A-B-C-D-A……顺序通电时，若开始是A相通电，转子齿轴线与A相磁极的齿轴线对齐；换接一次绕组，转子转过的角度为1/4齿距角；转子需要走4步，才转过一个齿距角；此时转子齿轴线又重新与A相磁极的齿轴线对齐。当电机在四相八拍运行，即按A-AB-B-BC-C-CD-D-DA……顺序通电时，换接一次绕组，转子转过的角度为1/8齿距角；转子需要走8步才转过一个齿距角。第11章步进电动机式中，ZR为转子齿数。所以转子每步转过的空间角度(机械角度)，即步距角为RtZ360NZNRtb360(11-1)式中，N为运行拍数，N=km(k=1,2单双拍制;m为相数)。由于转子相邻两齿间的夹角，即齿距角为第11章步进电动机为了提高工作精度，就要求步距角很小。1.减小步距角可以增加拍数N。相数增加相当于拍数增加，但相数越多，电源及电机的结构也越复杂。一般做到六相，个别的也有八相或更多相数。对同一相数既可以采用单拍制，也可采用双拍制。采用双拍制时步距角减小一半。所以一台步进电动机可有两个步距角，如1.5°/0.75°、1.2°/0.6°、3°/1.5°等。2.增加转子齿数ZR，步距角也可减小。所以反应式步进电动机的转子齿数一般是很多的，步距角为零点几度到几度。第11章步进电动机(3)按特定指令进行角度控制，也可以进行速度控制。角度控制时，每输入一个脉冲，定子绕组就换接一次，转过一个角度，其步数与脉冲数一致，输出轴转动的角位移量与输入脉冲数成正比。速度控制时，送入步进电动机的是连续脉冲，各相绕组不断地轮流通电，步进电机连续运转，它的转速与脉冲频率成正比。因此每分钟转子所转过的圆周数，即转速为min)/(660rfNZfnbR式中，f为控制脉冲的频率，即每秒输入的脉冲数。第11章步进电动机反应式步进电动机转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。当转子齿数一定时，转子旋转速度与输入脉冲频率成正比，或者转速和脉冲频率同步。改变脉冲频率可以改变转速，可进行无级调速，调速范围很宽。若改变通电顺序，即改变定子