步进电机介绍

步进电机4.1简介步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机。主要优点：步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，仅与脉冲频率有关。它每转一周都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累，从而使它适合于在数字控制的开环系统中作为驱动电动机，也可用作闭环系统的驱动元件。主要缺点：效率较低，需配适当的驱动电源，带惯性负载的能力不强。4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材种类：励磁方式磁阻式(反应式)永磁式混合式运行方式旋转型直线型平面型系统构成：步进电机脉冲分配器脉冲放大器脉冲信号输入4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材4.2反应式步进电动机的结构与工作原理一、反应式步进电动机的结构1.单段式2.多段式a)径向磁路b)轴向磁路4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材径向磁路1—线圈；2—定子；3—转子轴向磁路1—线圈；2—定子；3—磁轭4—转子；5—引出线4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材二、工作原理三相反应式步进电动机有三种运行方式：(1)三相单三拍运行；(2)三相双三拍运行；(3)三相单、双六拍运行“三相”—指步进电机的相数；“单”—指每次只给一相绕组通电；“双”则是每次同时给二相绕组通电；“三拍”—指通电三次完成一个循环4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材1234AA'BB'CC'A相导通1234AA'BB'CC'B相导通1.三相单三拍运行方式4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材1234AA'BB'CC'C相导通AA'BB'CC'1234A相导通4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材按A-B-C-A的顺序通电，电机转子在磁阻转矩作用下沿ABC方向转动，电机的转速直接取决于控制绕组的换接频率。定子控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍，此时电机转子所转过的空间角度称为步距角。36090trZ9033ts齿距角：步距角：4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.三相双三拍运行方式按AB-BC-CA-AB或相反的顺序通电，每次同时给两相绕组通电，且三次换接为一个循环。步距角与三相单三拍运行方式的步距角相同。AB相导通BC相导通4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材3.三相单、双六拍运行方式按A-AB-B-BC-C-CA或相反顺序通电，即需要六拍才完成一个循环，因此步距角为：156906ts1234AA'BB'CC'A相导通1234AA'BB'CC'B相导通AB相导通4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材对于其它相数的步进电动机，同样可以有多种运行方式，例如四相步进电动机有：四相单四拍，四相双四拍，四相单双八拍等运行方式。一般而言，无论几相电机以及采用何种运行方式，步距角与转子齿数Zr和拍数N之间有如下关系：NZrs360(机械角度)此处，m为控制绕组相数，C为状态系数，单三、双三拍时，C=1；单双六拍时C=2。如果连续不断地输入脉冲，则电机转子就连续旋转，其转速与脉冲频率有关。每输入一个脉冲，转子转过：mCN4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材NZr1每秒钟输入f脉冲，则转过f/ZrN转，故电机转速为：NZfnr60rpm4.小步距角磁阻式步进电机转子上有均匀分布的40个齿.940360t31340360360NZrs4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材小步距角步进电动机中的转子齿数，必须满足一定的要求，才能保证电机产生步进运动。当A相极面下的定、转子齿对齐时，B和C极面下的齿就分别和转子齿相错三分之一的转子齿，即3度。pmpKmKmpZr2212转子齿数应符合：4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材4.3反应式步进电动机运行特性一、静态特性静态运行是指通电状态不变，电机处于稳定状态时的特性。静特性静转矩矩角特性静态稳定区需要清楚的几个名称：(1)初始稳定平衡位置：指步进电动机在空载情况下，控制4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材绕组中通以直流电流时，转子的最后稳定位置;(2)失调角：指步进电动机转子偏离初始平衡位置的电角度。在反应式步进电动机中，转子一个齿距所对应的度数为2p电弧度或360o电角度；(3)矩角特性：在不改变通电状态(即控制绕组电流不变)时，步进电动机的静转矩与转子失调角的关系，即Tf()=0,T=0;0,T0;0,T0;=p,T=0定子转子4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材221LIWmmdWTd2WLWI()()cos2121qdqd当只有一相绕组通电时，储存在电机气隙中的磁场能量为磁导变化曲线()()()()22211sin224mrdqrdWZdLdTIWIWIZdddrZ4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材步进电动机的矩角特性()maxmaxsinsinrTZT()()42maxqdrWIZT4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材(4)静态稳态区：在空载时，稳定平衡位置对应于=0处，而=180度则为不稳定平衡位置。在静态情况下，如受外力矩的作用使转子偏离稳定平衡位置，但没有超出相邻的不稳定平衡点，则当外力矩除去以后，电动机转子在静态转矩作用下仍能回到原来的稳定平衡点，所以二个不稳定平衡点之间的区域构成静态稳定区。(5)最大静转矩：Tmax=f(I)最大静转矩特性4)()(2maxqdrWIZKT4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材六拍时的矩角特性族三拍时的矩角特性族32pseOAOBOCABACT(6)矩角特性族4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材二、动态特性1.单脉冲运行当加上一个控制脉冲信号，矩角特性将转移到矩角特性族中的下一条矩角特性曲线，转子将转到新的稳定平衡位置o1。在改变通电状态时，只有当转子起始位置位于ab之间才能使它向o1点运动。因此称区间ab为电动机空载时的动态稳定区。o0p-pTo1serab动态稳定区静态稳定区C4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材动态稳定区：(-p+se)(p+se)a点与o0点之间的夹角r称为稳定裕度(或裕量角)。裕量角越大，电动机运行越稳定。2(2)rserrZmCmZCmCpppp由上式可见，C=1时，反应式步进电动机的相数最少为3。电动机的相数越多，步距角越小，相应的稳定裕度越大，运行的稳定性也越好。最大负载转矩(又称起动转矩)：4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材o0p-pTo1Tsto0TL2o1o0p-pTo1Tsto'0TL1o'1TL1Tst因新的矩角特性曲线上对应点的电磁转矩大于负载转矩，使转子加速并向增大的方向运动，最终到达新的稳定平衡点o’1.TL2Tst新矩角特性上对应点的转矩小于负载转矩，转子不能到达新的稳定平衡点o”1，而是向减小的方向运动，因此不能作步进运动。4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材由此可知，步进电动机能带的最大负载转矩要比最大静转矩Tmax小。只有当负载转矩小于起动转矩(最大负载转矩)Tst，才能保证电动机进行正常的步进运动。若矩角特性为幅值相等的正弦波时，可得：mCTTTTsesestppcos2cos2sinmaxmaxmax当C=1时，m最小为3；m越大，起动转矩越大；C越大，起动转矩越大。转子振荡过程：以上分析时认为，切换控制绕组时，转子单调地趋向新的平衡位置，但实际上要经过一个衰减的振荡过程。4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材为减小振荡幅度和时间，可增加阻尼：•机械阻尼：增加电机转子的干摩擦阻力或增加粘性阻力。缺点：增大了惯性，快速性能变坏，体积增大。•电气阻尼：多相激磁阻尼、延迟断开阻尼。优点：方法简单，效果好。4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材当负载转矩为零，且不计阻尼作用时，用外力使转子偏离稳定平衡位置一个小角度，然后释放，则转子将在电磁转矩作用下向稳定位置运动，形成一个自由振荡，其运动方程为：TdtdJeTdtdJsinmax220sin22maxeerdtdTZJreZ022maxeerdtdTZJeesintee00cos解为：JTZrmax0JTZfrmax021p4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.连续脉冲运行极低频--连续步进运行4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材脉冲频率很低时的低频共振频率介于极低频与高频之间，此时脉冲间隔较长，电动机起动和运行一般不会有问题。但是，如果等于或接近于步进电动机的振荡频率时，电动机就会出现低频共振。A相通电，OA—d—OB—e—OB—d，此时第二个脉冲到来，通电绕组由B相换为C相，工作点由d移到f，由于转矩为负，转子返向转动向O’C移动。低频共振现象4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材脉冲频率很高时的连续运行当控制脉冲的频率很高时，脉冲间隔的时间很短，电机转子尚未到达第一次振荡的幅值，甚至还没有到达新的稳定平衡位置，下一个脉冲就到来。此时电机的运行已由步进变成了连续平滑的转动，转速也比较稳定。当频率太高时，也会产生失步，甚至还会产生高频振荡。连续运行状态4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材起动频率和起动特性fst是指一定负载转矩下能够不失步地起动的脉冲最高频率，它的大小与电动机本身参数、负载转矩及转动惯量的大小，以及电源条件等因素有关。它是步进电动机的一项重要技术指标。fst=f(TL)起动矩频特性fst=f(J)起动惯频特性连续运行频率与运行矩频特性步进电动机带一定负载正常起动后，连续缓慢地升高脉冲频率，直到不丢步运行的最高频率，称为运行频率。4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材fLT0起动连续运行矩频特性f0J起动惯频特性4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材那么，为什么频率升高后电机的转矩会下降呢？因为，控制绕组呈电感性，它具有延缓电流变化的作用。4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材4.4其他型式步进电机1.永磁式步进电动机•定子为两相(或多相)绕组；•转子为星形永久磁钢；•转子极数应与定子每相极数相同。极对数p=24.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材二相单四拍：定子绕组按A—B—(-A)—(-B)—A的次序通电，转子将顺时针方向转过45。步距角为：pNs360mmNseppp222二相双四拍：定子绕组按AB—B(-A)—(-A)(-B)—(-B)A—AB的次序通电，转子将顺时针方向转过45。永磁式步进电动机的特点是：步距角大，启动和运行频率低，需正负脉冲供电；但所需控制功率小，效率高。4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材2.混合式步进电动机（永磁感应子式）定子结构与反应式步进电动机相同。转子由环形磁钢和两段铁芯组成，环形磁钢在转子中部，轴向充磁，两段铁芯分别装在磁钢的两端。4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材NSNS定子铁芯定子绕组转子永磁磁通永磁体ABABAAS1234567812345678NBB气隙上有两个磁动势：一个永磁磁动势，一个是控制绕组通电产生的磁动势。它们有时相加，有时相减。故称为混合式。运行原理(1)定子A相绕组通电时，在电磁转矩作用下转子处于稳定平衡位置，如下图（a)所示。4.步进电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材(2)若使转子偏离稳定平衡位置，如下图(b)所示，转子向右偏离了一个角度，在不同端、不同极的转矩作用方向是相同的，都是使转子回到稳定平衡位置的方向。4.步进电机普