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1、 步进电动机步进电动机6.步进电动机步进电动机 6.1 简简介介 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。6.步进电动机步进电动机 它每接收一个电脉冲，转子就转过一角度 ，称为步步距角距角。由于这种电机的转动是断续地一步步进行的，所以被称为步进电动机。步机电动机的脉冲信号，一般由脉冲分配器和功率放大器两部分组成的驱动器提供，并由它确定输入脉冲的个数、频率、分配到各控制绕组的次序以及同时输入控制绕组的数目。种类：种类：励磁方式磁阻式(反应式)永磁式混合式运行方式直线型平面型系统构成：系统构成：步进电机脉冲分配器脉冲放大器脉冲信号输入6.步进电动机
2、步进电动机6.步进电动机步进电动机 步进电动机的定子一般为凸极式，设置多相绕组用作控制绕组来接收电脉冲。转子亦为凸极，可由软铁或永久磁铁构成，也可以是带齿的圆柱形铁心。工作原理工作原理 三相反应式步进电动机定子为凸极式，共有三对磁极磁极上设置控制绕组。相对的两个极的线圈串联联接，形成一相控制绕组。转子用软磁材料制成，也是凸极，但转子上没有绕组。6.步进电动机步进电动机图示转子为两极，步进机中称转子极为齿极，转子齿极数以 表示表示。下面通过几种基本控制方式来说明其工作原理。三相反应式步进电动机 a)A相通电时b)B相通电时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
3、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6.步进电动机步进电动机A相导通B相导通1.三相单三拍运行方式三相单三拍运行方式6.步进电动机步进电动机C相导通A相导通6.步进电动机步进电动机 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。齿距角：步距角：6.步进电动机步进电动机2.三相双三拍运行方式三相双三拍运行方式 按AB-BC-CA-AB或相
4、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6.步进电动机步进电动机3.三相单、双六拍运行方式三相单、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：A相导通B相导通AB相导通6.步进电动机步进电动机1.小步距角反应式步进电机小步距角反应式步进电机6.步进电动机步进电动机6.3 基本构造基本构造 上述步进电动机 为15、30。在实际应用中常嫌太大，为提高精度和扩大其功能，制成小步距角电动机。6.步进电动机步进电动机电机齿的相对位置a)A相通电b)B相通电电机齿的相对位
5、置a)A、B相通电b)B、C相通电6.步进电动机步进电动机 反应式步进电动机的相数等于定子极对数，即m=p，转子齿数 的数值要受下列两个条件的限制：正对面的两个极属于同一相，某相通电时，这两个极的齿都应与转子齿对齐，所以转子齿数 必须是偶数；某相磁极的齿与转子齿对齐时，相邻磁极齿与转子齿应错开t/m。齿数不能任意确定，则步距角亦将不是随意的，在选用步进电机时要注意。6.步进电动机步进电动机2、多段式步进电动机 前述步进电动机与一般电机相同，定、转子均为一段铁心（不计通风槽的影响），各相绕组沿圆周均匀排列，所以也叫做径向分相径向分相的结构。与它相对的是所谓轴向分相轴向分相，它的定转子铁心分成m段
6、，所以也称为多段式多段式结构。6.步进电动机步进电动机三段式三相反应式步进电动机a)结构示意图1控制绕组 2定子铁心3轴承4转轴5转子铁心b)三段定转子齿相对位置图6.步进电动机步进电动机3、永磁式步进电动机 定子为凸极，控制绕组为两相、相隔一极的绕组属同一相。转子为两对永久磁铁磁极。A相加正脉冲时，第1、3、5、7极激励磁场，极性为S、N、S、N，可见转子稳定位置恰如图所示。然后，B相加正脉冲，第2、4、6、8极分别呈S、N、S、N极性，于是转子转过45。第三拍A相加负脉冲，奇数极极性呈N、S、N、S。与第一拍相反，这时转子恰好被吸而又转过45。6.步进电动机步进电动机 这种电动机步距角较大
7、，控制电源需有正负脉冲，优点是消耗的电功率比反应式步进电动机小。在断电没有信号输入时，它有定位转矩，即表示它的转子只能锁定在某几个位置，不像反应式电机，当无信号时，其转子位置可以是任意的。6.步进电动机步进电动机4、永磁感应子式步进电动机(混合式步进电动机)这种电机的原理结构图如所示，其定子结构与小步距角单段反应式步进电动机相似，其相数，极数同。转子中段为轴向充磁的环形永久磁铁，两端软铁制成圆周开了齿槽的转子铁心，沿轴向两端铁心上的子齿错过1/2齿距，定转子齿槽的齿距是相同的。6.步进电动机步进电动机5、单相步进电动机 广泛应用于钟、手表中的步进电动机常常是单相式，亦即是只有一个接受信号的绕组
8、，其转子为圆片状永久磁铁，径向充磁为两极型。单相步进电动机原理图 a)接受正脉冲前转子位置b)接受负脉冲前转子位置c)秒脉冲信号 6.4 步进电动机基本步进电动机基本特性特性1、矩角特性、矩角特性6.步进电动机步进电动机 当电动机为理想空载（指负载转矩包括摩擦转矩在内等于零），且电动机在某一种通电状态下，其转子所处的位置称为零位零位或稳定平衡位置稳定平衡位置。电动机带上负载，则转子位置便将偏离零位，称与零位间的角度为失调角失调角 。此时，电机能产生的转矩T和失调角的关系称为矩角特矩角特 性性 。6.步进电动机步进电动机a)矩角特性曲线 b)转矩和失调角正方向的设定 对矩角特性我们主要关心的是它
9、的波形和最大值 。从希望来说，矩角特性以接近矩形为好，微小的失调角便有最大的转矩。但实际的矩角特性接近正弦波，曲线的最6.步进电动机步进电动机大转矩正比于控制绕组的电流平方及同时通电的相数。在分析步进电动机的工作特性时，不仅要知道某一条矩角特性，而且要知道各个通电状态下的矩角特性，即所谓矩角特性曲线族。曲线族中每一相邻曲线错开一个以电角度表示的步距角6.步进电动机步进电动机三相单三拍运行时矩角特性曲线族，第n拍静态稳定区第n+1拍静态稳定区 2.单脉冲运行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
10、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。动态稳定区静态稳定区C6.步进电动机步进电动机仅只对电动机加上一个控制脉冲的运行方式。6.步进电动机步进电动机 只要负载阻力转矩小于相邻矩角特性的交点处的电磁转矩，电机就可正常实现步进运动。称该交点处的转矩为起动转矩起动转矩TL1Tst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q减小的方向运动，因此不能作步进运动。6.步进电动机步进电动机由此可知，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
11、的步进运动。若矩角特性为幅值相等的正弦波时，可得：由式可见，如果 相同，增加拍数，减小步距角可以增大起动转矩。转子振荡过程：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。6.步进电动机步进电动机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。6.步进电动机步进电动机转子运动衰减振荡过程及停止时间的定义6.步进电动机步进电动机 机械阻尼方法是增加电机的摩擦阻力或增加粘性阻力。此法虽然有效，但加大了
12、转子的惯性，使电机的快速响应性能变坏。电气阻尼方法简便，效果好，因此应用广泛，常用的有 多相励磁阻尼法，如改三相单三拍运行方式为三相双三拍运行方式，有一相在两拍间均通电，该相的磁场在转子运动过程中起着阻尼作用；延迟断开法，使原通电相在新通电相通电一段时间再断开，其作用与前一方法相似，如三相单三拍运行时采用延迟断开法，效果同前一方法，但可节省电源消耗功率。3.连续脉冲运行连续脉冲运行6.步进电动机步进电动机连续脉冲运行当 时，转子的响应是很复杂的。但如果 ，转子振荡已衰减完毕，已处于新的平衡位置，转子角速度已为零。所以这种频率的连续脉冲运行犹如连续的单脉冲运行。6.步进电动机步进电动机极限起动频
13、率：极限起动频率：当电动机的负载一定时，如果外加控制脉冲频率超过某一临界值，电机便会起动不起来，这一临界值称为极限起动频率。连续脉冲的频率是下列两个指标的制约：连续运行频率：连续运行频率：为使电动机不失步（每拍走一步为正常运行，每拍不走或多走均为失步）地运行的极限频率。它的数值随轴上负载的增加而下降。小步距角步进电动机的连续运行频率可达每秒一万步以上；6.步进电动机步进电动机 极限起动频率总小于连续运行频率，一般空载起动频率约为数千赫。说明极限起动频率6.步进电动机步进电动机4、步进电动机的精度由下列指标来表示：零位误差和不灵敏区零位误差和不灵敏区步距误差步距误差步距累积误差步距累积误差6.步
14、进电动机步进电动机开关磁阻调速电动机 配上一个可控的开关电路，根据转子位置来合理地正确地导通和关断各相电路三相6/4极反应式步进电动机截面图按三相单三拍运行，HJ通电方式为A-B-C-A，转子逆时针旋转。6.步进电动机步进电动机SRD基本组成SRD开关磁阻电动机L机械负载位置传感器i电流检测器 C控制器P功率变换器磁阻电机的电磁转矩来自气隙磁场储能因转子位置角改变而发生的变化。取决于励磁电流i及气隙磁阻，同样电流i，但磁阻不同，将激励不同的磁链。可写出电磁转矩的表示式6.步进电动机步进电动机 开关磁阻电动机可控的参数较多：控制电流i的幅值；直流电源的电压；控制电流的持续时间等。所以图中设有电流检测装置。位置检测装置视传感器的不同而不同，应用较多的是光电式和电磁式传感器。开关磁阻电机本体结构较简单，就相数分有单相、两相、三相和四相等，就定转子齿极配合常用的有6/4、8/6、12/8等。步进电动机的应用步进电动机的应用 用于数字程序控制系统数控铣床工作原理示意图6.步进电动机步进电动机