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1、正版可修改PPT课件（中职）电机与驱动技术项目6 步进电动机电子课件项目六 步进电动机电机与驱动技术掌握步进电动机的原理和结构1掌握步进电动机的主要参数2学习目标了解反应式步进电动机的特性3了解MC542步进驱动器4厚德|博学|笃行|乐业6.1 反应式步进电动机原理与结构 步进电动机是一种把电脉冲信号转换成机械角位移的控制电机，每输入一个电脉冲，电机就会旋转一定的角度，常作为数字控制系统中的执行元件。厚德|博学|笃行|乐业三相单三拍 步进电动机的控制方式(三相单三拍)(a)A相通电 (b)B相通电 (c)C相通电三相绕组中的通电顺序为：A 相相 B 相相 C 相相6.1 反应式步进电动机原理与
2、结构6.1.1反应式步进电动机原理与运行方式厚德|博学|笃行|乐业基本概念：“三相”指定子绕组有3组；“单”指每次只能一相绕组通电；“双”指每次只能两相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。三相反应式步进电动机三相步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍。6.1 反应式步进电动机原理与结构6.1.1反应式步进电动机原理与运行方式厚德|博学|笃行|乐业三相双三拍三相绕组中的通电顺序为：A B相相 BC相相 AC相相 步进电动机的控制方式(三相单双拍)(a)AB相通电 (b)BC相通电 (c)AC相通电6.1 反应式步进电动机原理与结构6.1.1反应式步进电动机原理与
3、运行方式厚德|博学|笃行|乐业(a)A相通电 (b)AB相通电(c)B相通电(d)BC相通电(e)C相通电 (f)CA相通电三相单双六拍步进电动机的通电方式(三相六拍)6.1 反应式步进电动机原理与结构6.1.1反应式步进电动机原理与运行方式厚德|博学|笃行|乐业(a)A相通电 (b)AB相通电(c)B相通电(d)BC相通电(e)C相通电 (f)CA相通电三相单双六拍步进电动机的通电方式(三相六拍)6.1 反应式步进电动机原理与结构6.1.1反应式步进电动机原理与运行方式厚德|博学|笃行|乐业步进电机由定子（绕组、定子铁芯），转子（转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠轴承），前后端盖等组成。步进电机的
4、结构示意图6.1 反应式步进电动机原理与结构6.1.2 反应式步进电动机结构厚德|博学|笃行|乐业定子绕组 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。定子铁芯 定子铁芯为凸极结构，由硅钢片迭压而成。在面向气隙的定子铁芯表面有齿距相等的小齿。步进电机定子包括绕组和定子铁芯组成。步进电机定子结构示意图为了减小步距角，实际的步进电机通常在定子凸极和转子上开很多小齿，这样就可以大大减小步距角，提高步进电机的控制精度。6.1 反应式步进电动机原理与结构6.1.2 反应式步进电动机结构厚德|博学|笃行|乐业转子 步进电机的转子上只有齿槽
5、没有绕组，系统工作要求不同，转子齿数也不同。转子的外圈由50个小齿构成，转子1和转子2的小齿于构造上互相错开1/2螺距。由此转子形成了100个小齿。步进电机转子结构示意图6.1 反应式步进电动机原理与结构6.1.2 反应式步进电动机结构6.1 反应式步进电动机原理与结构6.1.3 反应式步进电动机的基本特点一、控制脉冲频率f步进电动机的不能使用普通电源供电，必须采用专用电源提供电脉冲，在运行时按一定规律对它各相绕组轮流的通电，才能一步步的转动。厚德|博学|笃行|乐业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b表示。式中：N为运行拍数，N=Km；K为通电系数，当前后通电相数一致时，K=
6、1，否则，K=2；m为相数6.1 反应式步进电动机原理与结构6.1.3 反应式步进电动机的基本特点二、步距角厚德|博学|笃行|乐业步进电机的转速取决于各相定子绕组通入电脉冲的频率，其速度为：N 为运行拍数；f 为控制脉冲的频率，即每秒输入的脉冲数；ZR 为转子齿数。式中：三、转速6.1 反应式步进电动机原理与结构6.1.3 反应式步进电动机的基本特点厚德|博学|笃行|乐业保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡
7、量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2Nm的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2Nm的步进电机。四、步进电机的保持转矩6.1 反应式步进电动机原理与结构6.1.3 反应式步进电动机的基本特点厚德|博学|笃行|乐业步进电动机的静态特性是指当某些定子绕组仍通以恒定不变的电流时，转子将固定于某一位置保持，称为静止状态。在静止状态时电磁转矩T与失调角e之间的函数关系即矩角特性。电角度来表示齿距角te。如果将步进电动机的齿数看成转子的极对数，一个齿距就对应360电角度，用弧度表示为2。6.2 反应式步进电动机的特点6.2.1 反应式步进电动机的静态特性厚德|博学|笃行|乐业6.2 反应
8、式步进电动机的特点6.2.1 反应式步进电动机的静态特性厚德|博学|笃行|乐业6.2 反应式步进电动机的特点6.2.1 反应式步进电动机的静态特性厚德|博学|笃行|乐业6.2 反应式步进电动机的特点6.2.1 反应式步进电动机的静态特性一、单相通电时的矩角特性步进电动机在静止状态下，当处于空载条件，转子不受负载转矩影响处于稳定平衡点，如果转子上带有一定负载，则转子将偏离稳定平衡点一个角度，使得在这个角度下的电磁转矩与负载转矩相平衡，这个角度称为失调角e厚德|博学|笃行|乐业6.2 反应式步进电动机的特点6.2.1 反应式步进电动机的静态特性在单相通电时矩角特性为厚德|博学|笃行|乐业6.2 反
9、应式步进电动机的特点6.2.1 反应式步进电动机的静态特性二、多相通电时的矩角特性对于步进电动机多相通电时的矩角特性比单相时的情况要复杂一些。按照叠加原理，多相通电时的矩角特性近似地可以由每相各自通电时的矩角特性叠加起来求得。厚德|博学|笃行|乐业6.2 反应式步进电动机的特点6.2.1 反应式步进电动机的静态特性二、多相通电时的矩角特性厚德|博学|笃行|乐业6.2 反应式步进电动机的特点6.2.2 反应式步进电动机动态特性一、运行矩频特性步进电动机作单步运行时的最大允许负载转矩为Tq，也就是相邻两条矩角特性交点。步进电动机的转速随控制脉冲频率f逐步增加而增加，其所能带动的负载转矩T逐步下降，
10、T与f的关系曲线称为步进电动机的运行转矩特性厚德|博学|笃行|乐业6.2 反应式步进电动机的特点6.2.2 反应式步进电动机动态特性二、最高连续运行频率步进电动机在一定负载条件下，正常连续运行、不失步、不丢步，所能加到的最高频率称为高连续运行频率。高连续运行频率是步进电动机重要的技术指标。厚德|博学|笃行|乐业6.2 反应式步进电动机的特点6.2.2 反应式步进电动机动态特性三、启动频率fst和启动矩频特性启动频率是指步进电动机在正常启动时所能加的最高频率，体现了步进电动机的加速性。在启动频率要远小于连续运行时的频率，电机在启动的时候不但要克服负载转矩，还要克服部分惯性转矩，所以启动时的负荷比
11、连续运行时重。厚德|博学|笃行|乐业6.3 步进电动机驱动装置6.3.1 步进电动机驱动装置结构与原理一、环形分配器环形分配器是一个数字逻辑单元，它接收来自控制器发送的控制脉冲和方向信号，把控制脉冲按一定的逻辑关系分配到每一相功率放大器上，使步进电机按设定的运行方式进行工作。由于步进电动机各相绕组是按一定的通电顺序并不断循环来实现转动的，所以称为环形分配器，又称为脉冲分配器。二、功率放大器因为从环形分配器能够输出的为信号，电流很小，而步进电机工作时需要的电流较大，因此需要进行功率放大。此外，输出的脉冲波形、幅度、波形前沿陡度等因素对步进电机运行性能有重要的影响。厚德|博学|笃行|乐业6.3 步
12、进电动机驱动装置6.3.1 步进电动机驱动装置结构与原理厚德|博学|笃行|乐业6.3 步进电动机驱动装置6.3.2 步进电动机步距角细分技术步进电动机驱动线路，如果按照环形分配器决定的分配方式，控制电动机各相绕组的导通或截止，则步距角只有二种，已由电机结构所确定。如果要求步进电机有更小的步距角或者为了减小电动机振动、噪声等，可以使用步距角细分技术。步距角细分的原理是可以在每次输入脉冲切换时，只改变相应绕组中额定的一部分，则电机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行也只有步距角的一部分。厚德|博学|笃行|乐业6.3 步进电动机驱动装置6.3.2 步进电动机步距角细分技术厚德|博学|笃行
13、|乐业6.3 步进电动机驱动装置6.3.3 MC542步进驱动器步进电动机驱动器种类繁多，但是操作和调试方法比较接近，本教材用MC542步进驱动器为例进行讲解。此驱动器适用于各种自动化设备与仪器，如包装机械、打印机、绘图仪等。厚德|博学|笃行|乐业6.3 步进电动机驱动装置6.3.3 MC542步进驱动器一、驱动器功能说明驱动器功能操作说明微步细分数设定由SW5-SW8四个拨码开关来设定驱动器微步细分数，其共有15档微步细分。用户设定细分时，应先停止驱动器运行。具体微步细分数的设定，请按驱动器面板说明。输出电流设定由SW1-SW3三个拨码开关来设定驱动器输出电流，其输出电流共有8种。具体输出电
14、流的设定，请参照驱动器面板说明。自动半流功能用户可通过SW4来设定驱动器的自动半流功能。OFF表示静态电流设为动态电流的一半，ON表示静态电流和动态电流相同。一般用途中应将SW4设成OFF，使得电动机和驱动器的发热减少，可靠性提高。脉冲串停止后约0.3秒左右电流自动减50%（实际值55%），发热量理论上减少65%。信号接口PUL+和PUL-为控制脉冲信号正端和负端；DIR+和DIR-为方向信号正端和负端；ENA+和ENA-为使能信号的正端和负端。电机接口A+和A-接步进电动机A相绕组的正负端；B+和B-接步进电动机B相绕组的正负端。当A、B两相绕组调换时，可使电动机方向反向。指示灯驱动器有红绿
15、两个指示灯。其中绿灯为电源指示灯，当驱动器上电后绿灯常亮；红灯为故障指示灯，当出现过压、过流故障时，故障灯常亮。故障清楚后，红灯灭。当驱动器出现故障时，只有重新上电和重新使能才能清楚故障。电源接口采用直流电电源供电，工作输入电压范围：2450VDC，电源功率大于100W。安装说明驱动器外形尺寸为：1177834mm，安装孔距为111mm。既可以卧式也可以立式安装（建议采用立式安装）。安装时，应使其紧贴在金属机柜上以利于散热。厚德|博学|笃行|乐业6.3 步进电动机驱动装置6.3.3 MC542步进驱动器二、端子功能说明类型端子名称作用SignalPUL+控制脉冲信号正端PUL-控制脉冲信号负端
16、DIR+方向信号正端DIR-方向信号负端ENA+使能信号正端ENA-使能信号负端SettingSW5-SW8微步细分设定SW4半流/全流设定SW1-SW3工作电流设定VoltageGND直流电源地VDC直流电源正极A+接步进电动机A相绕组正端A-接步进电动机A相绕组负端B+接步进电动机B相绕组正端B-接步进电动机B相绕组负端厚德|博学|笃行|乐业6.3 步进电动机驱动装置6.3.3 MC542步进驱动器三、接线方式对于控制电路的安装有两种方法共阳接法和共阴接法。厚德|博学|笃行|乐业6.3 步进电动机驱动装置6.3.3 MC542步进驱动器四、参数设定MC542驱动器采用八位拨码开关设定细分精
17、度、动态电流和半流/全流，详细描述如下：1、工作电流设定用SW1SW3的3位拨码开关设置工作电流，一共可设置8个电流级别，如表6-3所示。为了让步进驱动器能适应较多的步进电动机，通常步进驱动器可以选择工作电流。步进驱动器的输出电流略大于电动机的标称电流即可。对于同一台步进电动机，电流设定越大，输出的转矩也越大，同时电动机和驱动器发热越大。厚德|博学|笃行|乐业6.3 步进电动机驱动装置6.3.3 MC542步进驱动器四、参数设定2、细分设定细分精度由SW5SW8三位拨码开关设定，参见下表6-4所示。细分不能设置太大，在输入脉冲不变的情况下，细分设置越大，电动机转速越慢，转矩越小。厚德|博学|笃行|乐业6.3 步进电动机驱动装置6.3.3 MC542步进驱动器五、步进电动机驱动系统简单应用根据前面对MC542步进驱动器功能的介绍，完成一个手动控制系统，如图618所示。按钮SB1SB3分别实现对脉冲、方向和使能的控制，步进电动机电流匹配SW1SW4。