5第五章z

第一篇电动机及其控制第五章步进电动机及其控制5.1概述•名称：转角受脉冲信号控制，一个脉冲前进一步。电机输入脉冲电流，脉冲电机。转子的转动与磁场一致，同步电机。•应用场所：数控机床，计算机外围设备，钟表，数字控制系统等。•应用特点：开环位置控制，结构简单，调试容易。•缺点：效率低；功率小；有时振荡；配驱动器。•类型：磁阻式，永磁式，混合式（感应子式）。ABBCC步进电机的实际结构一、磁阻式步进电动机的结构特点•定、转子由软磁材料制成，定子上有控制绕组。基于磁阻变化而产生转矩。1．单段式•定子铁心内圆上分布着若干个大齿——磁极。每个磁极上都装有控制绕组,接成m相。每相有两个绕组，位于一条直径两端。5.2磁阻式步进电动机的工作原理5.2磁阻式步进电动机的工作原理AABBCC反应式步进电机的内部结构横剖面示意图5.2磁阻式步进电动机的工作原理ABCABCNSA相定子绕组通电形成磁场•定子磁极数：•定子磁极有均布的小齿。•转子没有绕组，铁心外圆上也有小齿，与定子小齿完全相同。•齿距角：两齿中心线的夹角•若某一磁极下定、转子的齿对齐，则同一相的另一个磁极下的定、转子的小齿也是对齐的。•相邻极下的定、转子齿之间错开转子齿距的。22pmpm1222rrzKzpKpm360trZm/12．多段式多段式又称为轴向分相式。按其磁路的特点不同，又可分为轴向磁路多段式和径向磁路多段式两种。多段式结构复杂，转子可细长，减小惯量。二、工作原理AA12AA1243二、工作原理1.简述旋转磁场+磁阻转矩磁阻同步电机•各相绕组轮流通电，形成步进式旋转磁场。磁阻转矩使转子转到磁阻最小的位置。2.无小齿的三相磁阻式步进电动机•周期性通电。•通电一周期，转过转子的一个齿矩角。磁场顺转。22,3,1,24rrzpKpmKz/30tm1232ABCA齿距角错开：360/90trz•改变通电顺序，•磁场和转子反转，转角大小不变。•结论–步进电动机各相绕组轮流通电，形成步进式旋转磁场，转动方向取决于通电的顺序。为了使电机连续转动，通电状态的变化应当是周期性的。–通电状态完成一个周期，转子转过转子的一个齿距角。转角大小取决于通电状态变化次数（输入脉冲个数），转速取决于通断电的频率（脉冲频率）。–一个磁极下定转子齿对齐，相邻磁极下齿错开，才能前进。1234ACBA3.拍数与步矩角•各绕组通电的不同状态数称为拍数（N）。如上述电机，拍数为3。在通、断电的一个周期内，通电状态改变的次数即拍数，改变一次通电状态也称为1拍。•改变一次通电状态，转子转过角位移称为步距角，即每一拍(步)所转过的角度，记为。每个通电周期共N拍，走N步，转过一个齿距角，故有•上述电机–步矩角太大，应增加转子齿数。3603043bbt360tbrNZN单段反应式步进电机的工作原理——两转子齿AA12ABB12AAC1260°BCC12定子通电顺序：A→B→C→A转子旋转方向：顺时针步距角：b=60θ°ACC12AA12BBC1260°AAB1260°单段反应式步进电机的工作原理——两转子齿定子通电顺序:A→C→B→A转子旋转方向：逆时针步距角：b=60θ°4.有小齿的四相磁阻式步进电动机•定子8极4相绕组。•极距包含的齿数•正转，反转•1拍，一周期转一个齿距角•4相单4拍，单：一个绕组通电。瞬间转矩为零。4,28mpp22,6,50,360/507.2rrtzpKKz'501684rz/41.8t4t拍•两相通电•4相双4拍双：两相1拍：一周期一个齿距角。总通电。•4相8拍8,/80.9btN/41.8t单段反应式步进电机的工作原理——两转子齿AABB12ABBCC1260°AABBC1260°AABCC1260°定子通电顺序：AB→BC→CA→AB转子旋转方向：顺时针步距角：b=60θ°单段反应式步进电机的工作原理——两转子齿定子通电顺序：BA→AC→CB→BA转子旋转方向：逆时针步距角：AABCC1260°AABB12ABBCC1260°AABBC1260°b=60θ°单段反应式步进电机的工作原理——两转子齿AA12AABB1230°ABB1230°AABCC1230°BCC1230°ABBCC12定子通电顺序：A→AB→B→BC→C→CA→A转子旋转方向：顺时针步距角：b=30θ°单段反应式步进电机的工作原理——两转子齿ACC1230°AABCC12AA12ABBCC12BBC1230°AABBC1230°定子通电顺序：A→AC→C→CB→B→BA→A转子旋转方向：逆时针步距角：b=30θ°5.步进电动机的分配方式及转角与转速•步进电机通、断电的转换规律称分配方式。•m—相数•N大，步距角小。•k=1单拍制，k=2双拍制•细分电路k=4，8，16，32。•用脉冲信号进行控制，一个脉冲改变一次通电状态，转过一个步距角，转速•步进电机转角由脉冲个数决定，转速由脉冲频率决定。6060360brfnfzN360/()brzNkmN5.3磁阻式步进电动机的静态特性•步进电机绕组通电状态保持不变而转子静止的状态称为静态。静态时所具有的性能称为静态特性，主要指转矩和偏转角的关系。•在步进电动机中定义电角等于转子齿数乘以机械角，即•用电角表示齿距角•用电角表示的步距角为rad•以电角表示的齿距角和步距角与齿数无关。eerZrZNNNtebe2360te3603602radtetrrrzzz一、单相通电•定、转子齿轴线夹角（电角）为偏转角。•转矩是偏转角的周期函数，周期为2πrad（电角）。=0的位置是稳定平衡位置，=π是不稳定平衡位置。•傅里叶级数基波eeeemTTsin•失调角：转子偏离稳定平衡位置的角度，等于实际角位移减去稳定平衡点的角位移。前述的转子偏转角也就是失调角。•静转矩：步进电机静止且绕组通以直流电时，由失调角引起的转矩。•矩角特性：静转矩与失调角的关系。•最大静转矩，与电流有关。•静稳定区：转矩使转子回到原平衡位置。ee0ee0eee0sinsin()memeeTTTemTTsin00emT•利用能量守恒定律和电磁关系式推导出静转矩的数学表达式为N•med/dTK2muIdtIrdtdTdWuIre磁场能量增量2euIdtddItWrdt时间内emdWWTdd2222eduIrIdteIdtIdtIdLIIdLdtdW22122mdLIILddW212emmeTdWdWIdLdddWW2mTddWdLId产生电磁转矩的条件0dLd•设每相每极绕组的匝数为W，为每个极面下的磁通和磁导和2WWL===WI=WIII22Z=ZrreeddFWTddI222W=TdddIFd2TddLI忽略定、转子的磁压降，定转子单边气隙磁势FFWI产生转矩的条件是，磁阻（导）要随转角而变化，称变磁阻步进电动机。简称磁阻式步进电动机。0/dde特点：转子在不同的方向磁阻不同。5.4磁阻式步进电动机的运行特性一、单步运行状态•绕组通电持续时间长，每次从静止开始转动。1.单步运行三相电机，A相稳定平衡位置为零位。1）无反抗性负载阻转矩但有粘滞阻尼转矩。•每步转一个步矩角。ABCA:023ebebebe3603601203beNsin120BcmTTT2)恒定负载阻转矩且。•是相邻矩角特性交点对应的电磁转矩。ABCALTstLTT:()()eeabeebbeecstT2.步进电动机的负载能力（起动转矩）•设•对应角的电磁转矩小于负载转矩，电机不能向前运动。•要求，是电机作单步运行所能带的极限负载。ABCstLTTstTstLTT''emstT12sincoscoscos222bebestmmmmTTTTTNNstTNN3.单步运行时转子的运动形式，，•由一个稳定平衡位置到下一个稳定平衡位置的运动过程，过渡过程。阶跃响应。•单调变化和衰减的振荡。22ddJBTdtdtnsinsiermmTTTZ22sin0mrddJBdtdtTZ220mrdBddtJdJTZtsinrrZZ12mrBJTZmrmTZJ二、连续运行状态1.几个概念1）控制频率：步进电机输入脉冲信号的频率。2）连续运行状态：绕组通电的持续时间小于转子运动的过渡过程时间。3）失步：步进电动机运动的步数与输入脉冲数不相等。–丢步：步数少于脉冲数。发生在加速时。–越步：步数多于脉冲数。发生在减速时。•对步进电机的基本要求：不失步。2.步进电动机的起动过程和起动频率•三相电机，负载转矩为零但有粘滞阻尼转矩。•第一个脉冲，A断B通。•第二个脉冲，B断C通。–1)转子位移小，在点，电磁转矩为负值，第三个脉冲到时可能向运动，不能起动。–2)转子位移大，在点，转矩为正，能起动。ABCA012bbbbO1baO2b•步进电动机能否起动，要看脉冲到的时刻，转子是否处于对应的稳定区。•步进电动机能否起动与控制频率有关，与负载转矩和负载的转动惯量有关。•起动频率：步进电动机能无失步起动和停转的最高频率。•起动矩频特性：其他条件不变的情况下，起动频率与负载转矩的关系。•起动惯频特性：其他条件不变的情况下，起动频率与负载转动惯量的关系。3.运行频率、动态转矩与运行矩频特性•运行频率：步进电动机在负载条件下能无失步运行的最高控制频率。•动态转矩：步进电动机转动时所产生的转矩，步进电动机连续运行时的输出转矩。•运行矩频特性：步进电动机最大输出转矩与运行频率f的关系。•动态转矩从起动转矩开始，随控制频率的升高而减小。4.动态转矩下降的原因及提高转矩的措施•物理角度的猜测：转矩磁场与电流，电流达不到规定值。•电感的影响，控制频率升高后，电流达不到规定值。1）增大电阻，减小时间常数；2）双电源RLTa5.不同控制频率下的运行1）极低频下运行控制脉冲的周期足够长，新脉冲到来时，转子处于平衡位置，电机总是从不动的状态开始运行，即单步运行。•不会出现丢步、越步现象。2）低频运行，低频丢步和低频共振•控制频率增加，在转子振荡还未衰减完时，下一个脉冲就来到。•转子的运行情况与脉冲到来时转子的位置有关，和控制频率有关。''/1Tf'0e''''/1Tf''0e•当控制脉冲的频率等于或接近步进电动机振荡频率的1/k倍（k=1,2,3…），电机可能出现强烈振动甚至失步和无法工作。•三相步进电机的低频丢步•低频共振现象。每步超调大。•应避免运行在这类频率。•减弱低频共振：增加阻尼。•其余情况可正常运行。3）连续脉冲作用下的平稳运行•当控制频率接近或高于电机振荡频率的2倍，电机的运行比较平稳。•输入量：希望的角位移，稳定平衡位置。•输出量：实际角位移。•转矩：磁阻转矩和粘滞阻尼转矩。••J—转动惯量；B—阻尼系数，—转子齿数。Td/dBti22ddddJBTttsin[()]mriTTZrZsin()()ririZZ22ddddmrmriJBTZTZtt22ddsin[()]ddmriJBTZtt6.步进电动机的微分方程与传递函数mrnTZJ•步进电动机的传递函数为•谐振现象2mrBTZJ2222()()2mrnmrinnTZsJTZBsssssJJ1/20.7075.5永磁式和混合式步进电动机5.5.1永磁式步进电动机•1.结构转子，永磁体，–磁极数–转子磁极轴线夹角•定子铁心，软磁钢片叠压。–定子上有个磁