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1、任务步进电动机及驱动系统第1页，本讲稿共30页知识目标：知识目标：掌握混合式掌握混合式步进电动机步进电动机的工作原理、特性；的工作原理、特性；任务任务5 5 步进电动机及驱动系统步进电动机及驱动系统2 2能力目标：能力目标：提高对步进电动机及驱动技术的认知。提高对步进电动机及驱动技术的认知。混合式混合式步进电动机步进电动机的工作原理、特性的工作原理、特性。重点难点：重点难点：第2页，本讲稿共30页一、混合式步进电机特点一、混合式步进电机特点二、混合式步进电机结构及工作原理二、混合式步进电机结构及工作原理三、步进电机的主要特性：三、步进电机的主要特性：主要内容主要内容第3页，本讲稿共30页步进电
2、机的分类：步进电机的分类：按转矩产生的原理可分为按转矩产生的原理可分为:1.1.反应式步进电机反应式步进电机;2.2.永磁式步进电机永磁式步进电机;3.3.混合式步进电机；混合式步进电机；从电流的极性上可分为从电流的极性上可分为:1.1.单极性步进电机单极性步进电机;2.2.双极性步进电机双极性步进电机第4页，本讲稿共30页一、混合式步进电机特点一、混合式步进电机特点混合式步进电动机(Hybrid，HB)，集反应式和永磁式与一体，兼有两者的优点。输出转矩较永磁式大（消耗功率反较小）；步距角较永磁式小（一般为1.8度）；断电时有定位转矩；启动和运行频率较高；第5页，本讲稿共30页混合式的优点：步
3、距角小、转矩大、电流小、动态性能好。目前混合式步进电机在工业上应用最为广泛。一、混合式步进电机特点一、混合式步进电机特点第6页，本讲稿共30页二、混合式步进电机结构及工作原理二、混合式步进电机结构及工作原理第7页，本讲稿共30页转子由两段有齿环形转子铁心、装在转子铁心内部的环形磁钢及轴承、轴组成。将环形磁钢沿轴向充磁，两段转子铁心的一端呈N极性，另一端呈S极性，分别称之为N段转子段转子和S段转子段转子。转子铁心的径向边缘加工有小齿，一般为50个，齿距为7.2。两段转子的小齿相互错开1/2齿距。1.两相混合式步进电机结构两相混合式步进电机结构第8页，本讲稿共30页1.两相混合式步进电机结构两相混
4、合式步进电机结构电机的定子定子上有八个绕有线圈的铁心磁极；八个线圈串接成A、B两相绕组；每个定子磁极边缘有多个小齿，一般多为五或六齿。64第9页，本讲稿共30页2.两相混合式步进电机工作原理两相混合式步进电机工作原理定子上有四个绕有线圈的磁极（齿），相对磁极的线圈串联成一相，共组成两相绕组。由于同一相绕组两个线圈绕线的方向相反，通过同一电流时所产生的由于同一相绕组两个线圈绕线的方向相反，通过同一电流时所产生的磁场方向也相反（相对转子而言）。磁场方向也相反（相对转子而言）。电流从相反方向流过同一相绕组产生的磁场方向也相反。转子由两段永磁体组成，一段呈N极性，一段呈S极性。每段永磁体有3个齿，齿距
5、为120度，N极齿和S极齿彼此错开1/2齿距。以每转以每转12步的模型电机为例步的模型电机为例线圈绕向导有误第10页，本讲稿共30页1）不通电状态）不通电状态在绕组不通电时，由于磁通总是沿磁阻最小的路径通过由于磁通总是沿磁阻最小的路径通过，磁通从N极性转子经定子极回到S极性转子。由于转子磁场的吸引作用，当外力力图使轴转动时，会有一个反向力矩阻止这种转动，称为自锁（自锁（detent)力矩力矩。第11页，本讲稿共30页2）单四拍工作方式）单四拍工作方式n初始状态，(上一周期)A相通电产生保持力矩保持力矩；nB相通电，定子磁场旋转90度，吸引转子旋转1/4齿距（30度）；n/A 相/B相 A相通电
6、,定子磁场各旋转90度，各吸引转子旋转1/4齿距（30度）；n4步一个循环后共转过一个齿距(120度)，12步后转子旋转一周步后转子旋转一周。n每一次仅一相绕组通电，四拍一个循环，称之为单四拍工作方式单四拍工作方式第12页，本讲稿共30页3）双四拍工作方式）双四拍工作方式n初始状态，A相、B相同时通电，由于两个定子齿的吸引，转子移动1/8齿距15度，停在一个中间的位置；nB/A相通电，定子磁场旋转90度吸引转子旋转1/4齿距齿距(30度)；n/A/B、/BA、AB各相通电，定子磁场各旋转90度，各吸引转子旋转1/4齿距30度；n4步一个循环后共转过一个齿距120度，12步后转子旋转一周；n每一
7、次两相绕组通电，四拍一个循环，称之为双四拍工作方式。双四拍工作方式。n因为两个线圈同时通电，产生的力矩比单四拍要大产生的力矩比单四拍要大。第13页，本讲稿共30页n在单四拍工作方式基础上，在每两个单拍之间插入一个双拍工作状态，就成为单、双八拍工作方式。n交替使一个线圈和两个线圈通电，每一步转子旋转1/8齿距即15度，经过这8拍以后，转子转过一个齿距120度。n旋转一周需24步。4）单、双八拍工作方式）单、双八拍工作方式第14页，本讲稿共30页单、双八拍工作方式的缺点是产生“强、弱步强、弱步”的现象，可利用的力矩被弱步力矩所限制，力矩的波动较大。为了消除“强、弱步”现象，并使电机按强步力矩输出，
8、可以在弱步时绕组通以两倍的电流，对弱步力矩进行补偿。优点是步距角小，电机运行将更平稳。4）单、双八拍工作方式）单、双八拍工作方式第15页，本讲稿共30页5）微步距工作方式）微步距工作方式在双四拍工作方式中，当两相绕组通以相等的电流时，电机转子停在一个中间的位置。如果两相绕组电流不等，转子位置将朝电流大的定子极方向偏移。利用这个现象我们可使电机工作在微步距方式：将两相绕组中的电流分别按正弦和余弦的轮廓呈阶梯式变化。则每个整步距（0最大值最大值）分成若干微步距（也称细分细分步距）。ib第16页，本讲稿共30页4细分方式细分方式第17页，本讲稿共30页8细分方式细分方式第18页，本讲稿共30页归纳总
9、结归纳总结在整步工作方式中，当两相绕组的电流变化1个周期，走4步，电机转子转过一个齿距角；走（4X转子齿数转子齿数）步，电机转子转过一圈。此时此时的步距角就是电机的标称值的步距角就是电机的标称值。在微步距（细分细分）工作方式：当两相绕组的电流变化1个周期，要走（4X细分数细分数）步，电机转子转过一个齿距角；走（4X细分数细分数X转子齿数转子齿数）步，电机转子转过一圈。微步距（细分）方式的步距角更小，将使电机运行更加平稳。ib第19页，本讲稿共30页一般称单四拍和双四拍工作方式为整步距整步距方式方式；单、双八拍工作方式为半步距方式半步距方式。（可分别理解为可分别理解为1细分、细分、2细分方式细分
10、方式）步进电机中定子磁场和转子磁场的相互作用产生转矩：转子磁势是由转子磁钢产生的，它是一个常数。所以当定子线圈匝数、转子磁钢磁性能及定、转子铁心材料、尺寸已确定的情况下，电机产生的力矩由定子绕组电流决定。电机产生的力矩由定子绕组电流决定。第20页，本讲稿共30页6）实际电机的工作原理）实际电机的工作原理n线圈1、5、3、7串联组成A相绕组；线圈2、6、4、8串联组成B相绕组。n每相四个绕组的绕线方向不尽同，通电后每个绕组所在定子磁极极性不尽同。n假定线圈1、5所在的磁极为N极，则线圈3、7所在的磁极为S极。64第21页，本讲稿共30页定子磁极上有40个（或48个）齿，齿距为7.2两段转子铁心上
11、各有50小齿，齿距为7.2，但两段转子的小齿相互错开1/2齿距定子齿和转子齿齿距相等。第22页，本讲稿共30页模型电机和实际电机的比较模型电机和实际电机的比较模型电机实际电机转子齿数350转子齿距120度7.2度整步距1/4齿距30度1/4齿距1.8度半步距1/8齿距15度1/8齿距0.9度整步一周节拍数12 200 半步一周节拍数24 400第23页，本讲稿共30页 转子每步转过的空间机械角度，即步距角转子每步转过的空间机械角度，即步距角为为 =360/Z*N=360/Z*N其中其中 Z-Z-转子齿数，转子齿数，N-N-运行拍数。运行拍数。步进电机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角存在
12、有步距误差。连续走若干步时，上述误差形成累积值。转子转过一圈后，回至上一转的稳定位置，因此步进电因此步进电机步距的误差不会长期积累机步距的误差不会长期积累。步进电机步距的积累误差，是指一转范围内步距积累误差的最大值，步距误差和积累误差通常用度、分或者步距角的百分比表示。影响步距误差和积累误差的主要因素有:齿与磁极的分度精度；铁心迭压及装配精度；各相矩角特性之间差别的大小；气隙的不均匀程度等。三、三、步进电机的主要特性：步进电机的主要特性：1 1、步距角和步距误差：步距角和步距误差：第24页，本讲稿共30页所谓静态是指电机不改变通电状态，转子不动时的工作状态。空载时，步进电杌某相通以直流电流时，
13、该相对应的定、转子齿对齐，这时转子无转矩输出。如在电机轴上加一顺时针方向的负载转矩，步进电机转子则按顺时针方向转过一个小角度，称为失调角,这时转子电磁转矩T与负载转矩相等。矩角特性是描述步进电机稳态时，电磁转矩与失调角之间关系的曲线，或称为静转矩特性。T步进电机矩角特性2 2、静态矩角特性和最大静转矩特性、静态矩角特性和最大静转矩特性第25页，本讲稿共30页矩频特性是用来描述步进电机连续稳定运行时输出转矩写连续运行频率之间的关系曲线。矩频特性曲线上每一频率所对应的转矩称为动态转矩。动态转矩除了和步进电机结构及材料有关外，还写步进电机绕组连接、驱动电路、驱动电压有密切的关系。下图是混合式步进电机
14、连续运行时的典型的矩频特性曲线。T0Nm绕组并联绕组并联绕组串联绕组串联f 步进电机矩频特性3 3、步进电机矩频特性：、步进电机矩频特性：64第26页，本讲稿共30页4、测定步进电机的空载起动频率:拆去光电编码器,让步进电机空载,在步进电机轴伸处作一标记,由世纪星设置步进电机整数转的位移(例如1.转脉冲数/转)和速度,且加减速时间常数也设置为零.步进电机处于锁定状态下,执行上述命令,步进电机突然起动并突然停止,从轴伸标记判断步进电机是否失步.若起动成功,则提高速度参数再测试,直至某一临界速度,并由此速度换算为步数/秒,即为电机的空载起动频率.第27页，本讲稿共30页5、启动惯频特性启动惯频特性
15、 在负载转矩ML=0的条件下，步进电动机由静止状态突然启动，不丢步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，称为启动频率或突跳频率，超过此值就不能正常启动。启动频率与机械系统的转动惯量有关，包括步进电动机转子的转动惯量，加上其它运动部件折算至步进电动机轴上的转动惯量。下图表示启动频率与负载转动惯量之间的关系。随着负载惯量的增加，起动频率下降。若同时存在负载转矩ML；则起动频率将进一步降低。在实际应用中，由于ML的存在，可采用的启动频率要比惯频特性还要低。第28页，本讲稿共30页小结：本单元主要学习了本单元主要学习了1 1、混合式步进电机结构及工作原理、混合式步进电机结构及工作原理2 2、步进电机的主要特性：、步进电机的主要特性：希望通过实训课的练习希望通过实训课的练习,进一步熟悉和掌握。进一步熟悉和掌握。第29页，本讲稿共30页谢谢!第30页，本讲稿共30页