44步进电动机

3-4步进电动机3.4.1概述3.4.2反应式步进电动机的结构和工作原理3.4.3反应式步进电动机的特性3.4.5步进电动机的其它类型及主要性能指标3.4.6步进电动机的驱动电源3.4.1概述步进电动机将输入的脉冲电信号变换为阶跃的角位移或直线位移，给一个脉冲信号，电动机前进一步，因此称为步进电动机。（1）控制系统对的基本要求在电脉冲的控制下，步进电动机能迅速起动、正反转、制动和停车，调速范围宽广；步进电动机的步距角要小，步距精度要高，不丢步不越步；工作频率高、响应速度快。（2）步进电动机的分类按其工作方式不同，可分为功率步进电动机和伺服步进电动机两类。按励磁方式的不同，步进电动机可分为反应式、永磁式和感应子式三类。1.结构特点定子铁心定子铁心为凸极结构，由硅钢片迭压而成。在面向气隙的定子铁心表面有齿距相等的小齿。图4-1四相反应式步进电动机的结构定子绕组定子每极上套有一个集中绕组，相对两极的绕组串联构成一相。步进电动机可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。转子转子上只有齿槽没有绕组，系统工作要求不同，转子齿数也不同。3.4.2反应式步进电动机的结构和工作原理2.工作原理(1)工作原理以四相反应式步进电动机为例。定子有八个极，相对两极的绕组串联成一相，构成四相；转子六个齿，齿宽等于定子极靴的宽度。（a）A相通电（b）C相通电（c）B相通电（d）D相通电图4-2四相单四拍运行A相绕组通电，在磁阻转矩作用下，转子齿1和4的轴线与定子A极轴线对齐；断开A相接通C相，转子齿3和6的轴线与C极轴线对齐，转子逆时针方向转过15°；断开C相接通B相，转子又转过15°；断开B相接通D相，转子再转过15°。经过一个通电循环转子转过一个齿距角。四相单四拍每次只接通一相绕组的四相供电方式称为四相单四拍。四相双四拍（图）每次同时接通两相绕组，如AC→CB→BD→DA→…，也是四拍一个循环，则称为四相双四拍。双拍运行与单拍运行时步距角相同，产生的转矩一般会增加。四相八拍A→AC→C→CB→B→BD→D→DA→…。步距角变为原来的二分之一。(2)运行方式拍和步距角电机通电方式变换一次，称为一拍。每一拍转子所转过的角度，称为步距角。s如何使步进电动机反转？工作原理（图）（图）如图转子上共有50个齿，齿距角定子极距为个齿。(3)实用反应式步进电动机如何减小步距角？增加转子齿数，同时在定子极面上开槽，定、转子的齿形要相同。图4-1四相反应式步进电动机的结构2.750360360ttZ25.6)42/(50转子齿数应满足2212mkZmkmZtt工作原理四相单四拍运行通电方式为A→C→B→D→…。A相绕组通电，转子齿轴线和定子磁极A上的齿轴线对齐；断开A相接通C相，在磁阻转矩作用下，转子顺时针方向转过四分之一齿距角（1.8°），使转子齿轴线和定子磁极C下的齿轴线对齐；…。图4-4A相通电时定、转子齿的相对位置每换接一次绕组，转子就转过1／4齿距角。四步完成一个循环，转子转过7.2°工作原理四相八拍运行通电方式为A→AC→C→CB→B→BD→D→DA→…。A相绕组通电，转子齿轴线和定子磁极A上的齿轴线对齐；图4-5A、C两相通电时定、转子齿的相对位置A、C两相同时通电时，转子顺时针方向只转过1/8齿距角（0.9°）；…。每换接一次绕组，转子就转过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一半。四相双四拍运行通电方式为AC→CB→BD→DA→…。步距角与四相单四拍运行时一样为1/4齿距角，即1.8°。工作原理3.基本特点(1)每相脉冲频率φf步进电机的系统框图脉冲电源→环形分配器→放大器→步进电动机图4-6脉冲控制方框图“环形分配器”按给定规律分配输入脉冲。对于三相步进电动机，环形分配器是一路输入，三路输出。三相单三拍运行时，第一个电脉冲分给A相；第二个电脉冲分给B相；第三个电脉冲分给C相，完成一个循环。三相双三拍运行时各相驱动信号波形图。图4-7三相单三拍驱动信号波形图每个循环包含的通电状态数称为“拍数”。拍数可等于相数或相数的二倍。fφf每相脉冲频率每循环一次，控制电脉冲的个数总等于拍数N，而加在每相绕组上的脉冲电压的个数却等于1。若控制电脉冲频率为，每相脉冲频率用表示，则Nff/φ工作原理φf2．步距角s每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角，用符号表示。srts360NZN步距角为（机械角度）)21(，kmkNN为运行拍数，，m为电机相数。步距角与拍数N及转子齿数Zt有关。减小步距角，可提高控制精度。360te2在一个齿距内磁场变化一个周期，用电角度表示时，一个齿距就对应360°电角度（或电弧度)。用电角度（或电弧度）表示的齿距角为。用电角度表示时，步距角为NN360teseNN2tese（电角度）（电弧度）或rsrrse360ZZZN用电角度表示步距角时，步距角与转子齿数无关。工作原理3．转速n)/(1rNZ输入一个脉冲，转子转过整个圆周角的，即转过转。所以转速为)/(1rNZNZfnr60f为控制脉冲的频率，即每秒输入的脉冲数。反应式步进电动机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，与电源电压、负载、温度等因素无关。改变脉冲频率可以改变转速，故可进行无级调速。步进电动机的转速还可用步距角表示srr63603606060fNZfNZfn改变通电顺序，可以控制电机转向。工作原理4.步进电动机具有自锁能力当控制电脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通入直流电时，则电机转子可以保持在固定的位置上，即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上。这样，步进电动机可以实现停转时转子定位。工作原理规定定子、转子齿轴线重合的位置为静态空载情况下的初始稳定平衡位置，而转子偏离初始稳定平衡位置的电角度称为失调角。3.4.3反应式步进电动机的静态特性静止状态步步进电动机一相或几相通入恒定不变的直流电流，这时转子将固定于某一位置上保持不动，称为静止状态。失调角ee图4-9初始平衡位置与失调角在静止状态下，电磁转矩与失调角之间的函数关系，称为步进电动机的矩角特性。静态特性)(efT单相通电时，通电相极下所有齿都产生转矩，由于同一相极下所有定子齿和转子齿相对应的位置都相同，因而电机总转矩为通电相极下各定子齿所产生转矩之和。(1)静态转矩TA相通电时，有在dt时间内输入的电能为tiLirUd)(daaaaadd)d(ddaa2aaaaa2aaaitriiLitritiUdd)d(ddaa2aaaaa2aaaitriiLitritiU式中第一部分为电阻损耗；第二部分为磁场储能，是电机对外做功的能源。trida2amaddWimddWTddmWTddT电磁转矩T驱使转子转过偏转角时，步进电动机对外输出的机械能，从能量平衡关系即静态转矩为在线性系统中2m21LIW若控制绕组中的电流I为常数，每相控制绕组是两个极上绕组串接而成，且每极绕组的匝数为N，则22NLd)()21(dd22mNILIWer2δer2mdddd)(ddZFZNIWTer2δer2mdddd)(ddZFZNIWTNIFδrZeddlZs为每极控制绕组的磁动势；为转子齿数；为气隙磁导对失调角的变化率。气隙磁导可表示为为气隙比磁导；为定子每极下的小齿数；为铁心长度。lsZ图4-10气隙比磁导定义图气隙比磁导的大小和齿的形状、齿宽与齿距之比、气隙与齿距之比及齿部的饱和度有关，且是失调角的周期性函数，其周期为齿距。用傅氏级数表示为te1en0)cos(nne10cos忽略高次谐波影响影响时，气隙比磁导为由此可得e1rs2δsinlZZFT静态转矩T是失调角的正弦函数，它的作用总是使转子位置趋向于失调角为零；在结构一定且磁路不饱和的条件下静态转矩的大小与I2成正比。e步进电动机的起动性能用起动矩频特性、起动惯频特性和起动频率来描述。1.起动矩频特性起动矩频特性在给定驱动电源的条件下，负载转动惯量一定时，起动频率与负载转矩的函数关系，称作起动矩频特性。stfLT)(LstTff图4-26起动矩频特性转动惯量一定时，随着负载的增加，其起动频率是下降的。4.4.3步进电动机的起动特性2.起动惯频特性起动惯频特性在给定驱动电源的条件下，负载转矩不变时，起动频率与负载转动惯量的函数关系，称作起动惯频特性。负载转矩不变时，随着转动惯量的增加，起动频率也是下降的。stfJ)(stJff图4-27起动惯频特性4.4.3步进电动机的起动特性3.起动频率电机正常起动时（不丢步、不失步）所能加的最高控制频率称为起动频率或突跳频率。起动频率与负载大小有关，因而指标分空载起动频率和负载起动频率。比低得多。例如，70BF03步进电动机，Hz，在0.1176N.m的负载下起动频率Hz。增大电动机的动态转矩；提高起动频率的措施减小转动部分的转动惯量；增加拍数，减小步距角。st0fstLfstLf2000st0f1000stLfst0f4.4.3步进电动机的起动特性4.5步进电动机的其它类型及主要性能指标4.5.1步进电动机的其它类型1.多段反应式步进电动机结构轴向磁路多段式步进电动机的结构如图4-28所示。定、转子铁心均沿电机轴向按相数分段，每一组定子铁心放置一相环形的控制绕组。定、转子圆周上冲有形状和数量相同的小齿。定子铁心（或转子铁心）每相邻两段错开1/m齿距。特点定子空间利用率较好，环形控制绕组绕制较方便；转子的惯量较低；步距角也可以做得较小，起动和运行频率较高。但是在制造时，铁心分段和错位工艺较复杂，精度不易保证。图4-28多段式轴向磁路反应式步进电动机1-线圈；2-定子；3-转子；4-引线4.5.1步进电动机的其它类型结构永磁式步进电动机定子上有两相或多相绕组，转子为一对或几对极的星形磁钢，转子的极数与定子每相的极数相同。2.永磁式步进电动机图4-29永磁式步进电动机工作原理当定子绕组按A→B→(-A)→(-B)→…轮流通直流脉冲时，转子依次转过45°，一个循环转过180°，步距角为45°。特点步距角大；起动频率较低；控制功率小；在断电情况下有定位转矩；有强的内阻尼力矩；要求电源供给正负脉冲，使电源的变得复杂。结构两相感应子式永磁步进电动机的定子结构与单段反应式步进电动机相同，1、3、5、7极上的控制绕组串联为A相，2、4、6、8极上的控制绕组串联为B相。转子是由环形磁铁和两端铁心组成。两端转子铁心上沿外圆周开有小齿，两端铁心上的小齿彼此错过1/2齿距。定、转子齿数的配合与单段反应式步进电动机相同。3.感应子式永磁步进电动机图4-30感应子式永磁步进电动机4.5.1步进电动机的其它类型工作原理转子磁钢充磁后，A端为N极，B端为S极；A相通电时，定子1、3、5、7极上的极性为N、S、N、S。定子磁极1和5上的齿在A端则与转子槽对齐，磁极3和7上的齿与A端上的转子齿对齐；B相通电时，由于B相四个极（2、4、6、8极）上的齿与转子齿都错开1/4齿距，转子前进1/4齿距；由于定子同一个极的两端极性相同，转子两端极性相反，但错开半个齿距，所以当转子偏离平衡位置时，两端作用转矩的方向是一致的。4.5.1步进电动机的其它类型或（电角度）rs2360mZmZ180rsse当定子各相绕组按顺序通以直流脉冲时，其步距角为（机械角）特点步距角小；起动和运行频率高；效率高；具有定位转矩。兼有反应式和永磁式步进电动机两者的优点。但是它需要有正、负电脉冲供电，并且在制造时比较复杂。4.5.1步进电动机的其它类型4.直线和平面式步进电动机在控制脉冲作用下，直线步进电动机做直线运动，平面步进电动机做平面运动。Π直线步进电动机定子：形极片；永久磁铁；控制绕组。动子：软磁材料开槽。位置关系：a和c间为1.5ta和a’间为kta和d间为（k+1/4）