步进电机的选择与使用

控制电机的选择与使用

用于自动控制系统的具有特殊性能的小功率电机，主要在控制系统中用作信号的检测（测量）、传递、执行、放大或转换等。执行元件：交、直流伺服电动机、步进电动机（将电信号转换成轴上的角位移或角速度）测量元件：交、直流测速发动机、自整角机和旋转变压器（机械信号转变成电信号）

数控加工中心特殊电机的应用图片激光打印机自动控制系统对伺服电动机的基本要求

（1）无“自转”现象：即要求控制电机在有控制信号时迅速转动,而当控制信号消失时必须立即停止转动。控制信号消失后,电机仍然转动的现象称为自转,自动控制系统不允许有“自转”现象。（2）空载始动电压低:电机空载时,转子从静止到连续转动的最小控制电压称为始动电压。始动电压越小,电机的灵敏度越高。（3）机械特性和调节特性的线性度好:线性的机械特性和调节特性有利于提高系统的控制精度,能在宽广的范围内平滑稳定地调速。（4）快速响应性好:即要求电机的机电时间常数要小,堵转转矩要大,转动惯量要小,转速能随控制电压的变化而迅速变化。交流伺服电动机特点：有控制电压时立即旋转，无控制电压时立即停转作用：将输入的电压信号（即控制电压）转换成轴上的角位移或角速度输出。分类：同步、异步7.1.2交流伺服异步电动机结构实质：两相异步电动机（与单相异步电动机相似）

组成：定子：励磁绕组F、控制绕组C

转子

鼠笼式空心杯形转子伺服电动机剖面松下伺服电动机及驱动

1）高电阻率导条的笼型转子高电阻率导条的笼型转子结构与普通笼型异步电动机的类似,但是为了减小转子的转动惯量,转子做得细而长。转子笼条和端环既可采用高电阻率的导电材料(如黄铜、青铜等)制造,也可采用铸铝转子。非磁性空心杯形转子非磁性空心杯形转子的结构如图7-7所示。定子分外定子铁心和内定子铁心两部分,由硅钢片冲制后叠成。外定子铁心槽中放置空间相距90°电角度的两相绕组。内定子铁心中不放绕组,仅作为磁路的一部分,以减小主磁通磁路的磁阻。空心杯形转子由非磁性铝或铝合金制成,放在内、外定子铁心之间,并固定在转轴上。

1—机壳;2—外定子;3—杯形转子;4—内定子;5—端盖图7-7非磁性空心杯形转子在单相异步电动机启动结束后，单相电流产生的脉动磁场仍然使电机产生电磁转矩。如果交流伺服电机工作时将控制绕组断电，此时伺服电机要求电机停止转动，如果伺服电机不能停止转动，就产生“自转”，就失去控制的目的。“自转”问题2、交流伺服电动机工作原理

从单相电机的机械特性可知，当转子电阻足够大时，则Sm＞1。此时，单相脉动磁场分解成两个旋转磁场，其中反向磁场产生的电磁转矩比正向磁场产生的大，因此，电机总的电磁转矩就为负值（制动转矩），电机就能快速停转。“自转”问题的克服转子电阻增大后的转矩特性效果3、交流伺服电动机控制方式

（3）幅相控制：同时改变控制电压UC的大小和相位。

（1）幅值控制：仅改变控制电压Uc振幅的大小，相位角保持不变。=UC/UF

从0-1变化时,气隙磁场从脉动磁场—椭圆形旋转磁场—圆形旋转磁场。电机转速越来越高。（2）相位控制：通过移相器改变控制电压UC的相位，幅值不变。

UC=UF，相位差=0时,气隙磁场为脉动磁场；=90o时,气隙磁场为圆形磁场。

能力要求：1、能分析步进电机的工作原理与控制过程

2、能根据使用场合选择合适的步进电机知识要求：1、了解步进电机的结构2、熟悉步进电机的工作原理任务3步进电机(stepmotor)的选择与使用步进电机—脉冲电机

给步进电动机输入一个电脉冲信号时，它就转过一定的角度或移动一定的距离。由于其输出的角位移或直线位移可以不是连续的，因此称为步进电动机(脉冲电动机)。目前应用最多的是反应式步进电动机（磁阻式）。电脉冲信号→角位移或直线位移优点：角位移或线位移与脉冲数成正比，其转速n或线速度v与脉冲频率成正比。在负载能力范围内，这种关系不会因电压波动、负载变化、温度变化等原因而变化，其控制性能很好。步进电动机广泛用于数控机床、打印机等控制系统中。

反应式步进电机结构：定子：6个磁极，分为3相，每个磁极上都套有一个绕组转子：均匀分布的4个齿，无绕组分类：单三拍、单双六拍和双三拍“单三拍”名词解释：单：每次只有一相控制绕组通电。三拍：一个工作周期定子绕组通电改变3次A（U）相绕组通电时，B、C两相不通电，气隙中生成以A-A’为轴线的磁场。由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，将使转子齿1、3和定子A-A’对齐，即产生A-A’轴线方向的磁通。如果A相绕组不断电，1、3两转子齿就一直被磁极A-A’吸引住而不改变其位置，即转子具有自锁能力。B相绕组通电时，A、C两相不通电，气隙中生成以B-B’为轴线的磁场。由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，将使离磁极B-B’最近的转子齿2、4和定子B-B’对齐，即产生B-B’轴线方向的磁通。C相绕组通电时，A、B两相不通电，气隙中生成以C-C’为轴线的磁场。由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，将使离磁极C-C’最近的转齿1、3和定子C-C’对齐，即产生C-C’轴线方向的磁通。1、单三拍控制

（a）A(U)相通电（b）B相通电（c）C相通电ZR——转子齿数N——步进电机的相数问题与讨论由于单独一相控制绕组通电时容易使转子在平衡位置附近来回摆动——振荡，会使运行不稳定，因此实际上很少采用三相单三拍的运行方式。（a）A相通电（b）B相通电（c）C相通电每拍转子转过的角度？电机的转速和转向？

每个通电状态都有两相控制绕组同时通电，通电状态切换时总有一相绕组不断电，不会产生振荡。图通电顺序为ABBCCAAB。A、B两相通电时，两磁场的合成磁场轴线与未通电的C-C’相绕组轴线重合，转子在磁阻转矩的作用下转动。同理，C、A两相通电时，转子又转过30°。可见，双三拍运行方式和单三拍运行方式的原理相同，步距角也相同。2、双三拍控制转子转过的角度ZR——转子齿数N——步进电机的拍数？N=MC3、单-双六拍工作方式A相首先通电，转子齿1、3稳定于AA′磁极轴线，图(a)；在A相继续通电的情况下，接通B相。这时定子BB′磁极对转子齿2、4产生拉力，使转子顺时针转动，但此时AA′极继续拉住齿1、3,转子转到两个磁拉力平衡为止，转子位置如图(b)；转子从A位置顺时针转过15°。

A相断电，B相继续通电，这时转子齿2、4又和BB′磁极对齐而平衡，转子又转过15°角，如图(c)所示。在B相通电情况下，C相又通电，则BB′和CC′共同作用使转子又转过15°，如图(d)。依此规律，按A—AB—B—BC—C—CA—A的顺序通电，转子便顺时针一步步转动。电流换接六次，磁场旋转一周，步距角θS=15°。如按A—AC—C—CB—B—BA—A的顺序通电，则电机逆时针方向转动。ZR-转子齿数N-步进电机的拍数C-??

步进电动机的模型图，其步距角太大。实际应用中，为了保证加工精度，一般步进电动机的定、转子齿数较多（如40个）。最小步距角可小至0.5°。步进电动机的转速nf——脉冲频率

在右图中，三相反应式步进电动机定子上有六个极，上面装有控制绕组联成U、V、W三相。转子圆周上均匀分布若干个小齿，定子每个磁极靴上也有若干个小齿。以转子齿数zr=40，相数m=3，一相绕组通电时，在气隙圆周上形成的磁极数2p=2，三相单三拍运行为例：每一齿距的空间角每一极距的空间角每一极距所占的齿数小步距角的三相反应式步进电动机当U-U′极下的定、转子齿对齐时，V-V′极的定子齿和转子齿必然错开1/3齿距，即为3°，如图所示的展开图。由于每一极距所占的齿数不是整数，由上图可以看出，若断开U相控制绕组而接通V相控制绕组，这时步进电动机中产生沿V-V′极轴线方向的磁场，因磁通力图走磁阻最小路径闭合，就使转子受到同步转矩的作用而转动，转子按逆时针方向转动1/3齿距（3°），直到使V-V′极下的定子齿和转子齿对齐。相应地U-U′极和W-W′极下的定子齿又分别和转子齿相错1/3齿距。按此顺序连续不断地通电，转子便连续不断地一步一步转动。若采用三相单、双六拍通电方式运行，即按U-UV-V-VW-W-WU-U顺序循环通电，同样步距角也要减少一半，即每一脉冲时转子仅转动1.5°。如果脉冲频率很高，步进电动机控制绕组中送入的是连续脉冲，各相绕组不断地轮流通电，步进电动机不是一步一步地转动，而是连续不断地转动，它的转速与脉冲频率成正比。转子齿数应符合下式条件：式中:K——正整数；2p——一相绕组通电时在气隙中形成的磁极数；m——定子相数。例如上例中,由于2p=1,m=3,可选K=7,则得Zr=40。步进电动机的步距角公式为:式中:N——拍数,N=mC;C——状态系数,采用单三拍或双三拍方时,C=1,采用单、双六拍方式时,C=2。