《电机学步进电机》PPT课件.ppt

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。,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,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。,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： 三相单三拍运行； 三相双三拍运行； 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,1. 三相单三拍运行方式,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：,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,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：,AB相导通,1. 小步距角反应式步进电机,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。,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,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。,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。,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,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。,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。,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。,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,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 。,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,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,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。,仅只对电动机加上一个控制脉冲的运行方式。,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 因新的矩角特性曲线上对应点的电磁转矩大于负载转矩，使转子加速并向 q增大的方向运动，最终到达新的稳定平衡点o1.,TL2Tst 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。,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。,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。,转子运动衰减振荡过程及停止时间的定义,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,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。,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：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；,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,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,步距误差,步距累积误差,6.5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。,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,。,