电机学——步进电机

步进电动机6.步进电动机 6.1 简 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.步进电动机它每接收一个电脉冲，转子就转过一角度 ，称为 步距角 。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：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：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6.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。 6.2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 。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A相导通 B相导通1. 三相单三拍运行方式6.步进电动机C相导通 A相导通6.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2. 三相双三拍运行方式按 AB-BC-CA-AB或相反的顺序通电，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3. 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1. 小步距角反应式步进电机6.步进电动机 6.3 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置a) A、 B相通电 b) B、 C相通电6.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 的结构。与它相对的是所谓 轴向分相 ，它的定转子铁心分成 m段，所以也称为 多段式 结构。6.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.步进电动机这种电动机步距角较大，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，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 特性1、矩角特性6.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 或 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 。此时，电机能产生的转矩 T和失调角的关系称为 矩角特 性 。6.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 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：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.步进电动机转子运动衰减振荡过程及停止时间的定义6.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，但加大了转子的惯性，使电机的快速响