步進電機介紹資料PPT課件

1、 4.1 簡介 步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電機。主要優(yōu)點：步距角和轉(zhuǎn)速不受電壓波動和負載變化的影響，僅與脈沖頻率有關(guān)。它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，在不丟步的情況下運行，其步距誤差不會長期積累，從而使它適合于在數(shù)字控制的開環(huán)系統(tǒng)中作為驅(qū)動電動機，也可用作閉環(huán)系統(tǒng)的驅(qū)動元件。主要缺點：效率較低，需配適當?shù)尿?qū)動電源，帶慣性負載的能力不強。4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第1頁/共50頁種類：勵磁方式磁阻式(反應(yīng)式)永磁式混合式運行方式旋轉(zhuǎn)型直線型平面型系統(tǒng)構(gòu)成：步進電機脈沖分配器脈沖放大器脈沖信號

2、輸入4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第2頁/共50頁4.2 反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理一、反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)1.單段式2.多段式 a)徑向磁路 b)軸向磁路4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第3頁/共50頁徑向磁路1線圈；2定子；3轉(zhuǎn)子軸向磁路1線圈；2定子；3磁軛4轉(zhuǎn)子；5引出線4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第4頁/共50頁二、工作原理 三相反應(yīng)式步進電動機有三種運行方式：(1) 三相單三拍運行；(2) 三相雙三拍運行；(3) 三相單、雙六

3、拍運行 “三相” 指步進電機的相數(shù)； “單” 指每次只給一相繞組通電；“雙”則是每次同時給二相繞組通電； “三拍”指通電三次完成一個循環(huán)4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第5頁/共50頁1234AABBCCA相導(dǎo)通1234AABBCCB相導(dǎo)通1. 三相單三拍運行方式4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第6頁/共50頁1234AABBCCC相導(dǎo)通AABBCC1234A相導(dǎo)通4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第7頁/共50頁 按A-B-C-A的順序通電，電機轉(zhuǎn)子在

4、磁阻轉(zhuǎn)矩作用下沿ABC方向轉(zhuǎn)動，電機的轉(zhuǎn)速直接取決于控制繞組的換接頻率。 定子控制繞組每改變一次通電方式，稱為一拍，此時電機轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的空間角度稱為步距角。36090trZ9033ts齒距角：步距角：4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第8頁/共50頁2. 三相雙三拍運行方式 按AB-BC-CA-AB或相反的順序通電，每次同時給兩相繞組通電，且三次換接為一個循環(huán)。步距角與三相單三拍運行方式的步距角相同。AB相導(dǎo)通BC相導(dǎo)通4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第9頁/共50頁3. 三相單、雙六拍運行方式按A-

5、AB-B-BC-C-CA或相反順序通電，即需要六拍才完成一個循環(huán)，因此步距角為：156906ts1234AABBCCA相導(dǎo)通1234AABBCCB相導(dǎo)通AB相導(dǎo)通4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第10頁/共50頁 對于其它相數(shù)的步進電動機，同樣可以有多種運行方式，例如四相步進電動機有：四相單四拍，四相雙四拍，四相單雙八拍等運行方式。 一般而言，無論幾相電機以及采用何種運行方式，步距角與轉(zhuǎn)子齒數(shù)Zr和拍數(shù)N之間有如下關(guān)系：NZrs360(機械角度)此處，m為控制繞組相數(shù)，C為狀態(tài)系數(shù)，單三、雙三拍時，C=1；單雙六拍時C=2。 如果連續(xù)不斷地輸入脈

6、沖，則電機轉(zhuǎn)子就連續(xù)旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率有關(guān)。每輸入一個脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過：mCN 4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材NZr1第11頁/共50頁每秒鐘輸入f 脈沖，則轉(zhuǎn)過 f/ZrN 轉(zhuǎn)，故電機轉(zhuǎn)速為：NZfnr60rpm4. 小步距角磁阻式步進電機轉(zhuǎn)子上有均勻分布的40個齒.940360t31340360360NZrs4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第12頁/共50頁 小步距角步進電動機中的轉(zhuǎn)子齒數(shù)，必須滿足一定的要求，才能保證電機產(chǎn)生步進運動。當A相極面下的定、轉(zhuǎn)子齒對齊時，B和C極面下的齒就分別和

7、轉(zhuǎn)子齒相錯三分之一的轉(zhuǎn)子齒，即3度。pmpKmKmpZr2212轉(zhuǎn)子齒數(shù)應(yīng)符合：4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第13頁/共50頁4.3 反應(yīng)式步進電動機運行特性一、靜態(tài)特性 靜態(tài)運行是指通電狀態(tài)不變，電機處于穩(wěn)定狀態(tài)時的特性。靜特性靜轉(zhuǎn)矩矩角特性靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)需要清楚的幾個名稱：(1)初始穩(wěn)定平衡位置：指步進電動機在空載情況下，控制4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第14頁/共50頁繞組中通以直流電流時，轉(zhuǎn)子的最后穩(wěn)定位置;(2)失調(diào)角 ：指步進電動機轉(zhuǎn)子偏離初始平衡位置的電角度。在反應(yīng)式步進電動機中，

8、轉(zhuǎn)子一個齒距所對應(yīng)的度數(shù)為2p電弧度或360o電角度；(3)矩角特性：在不改變通電狀態(tài)(即控制繞組電流不變)時，步進電動機的靜轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子失調(diào)角的關(guān)系，即Tf() =0, T=0; 0, T0 ; 0; =p, T=0定子轉(zhuǎn)子4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第15頁/共50頁221LIWmmdWTd2WLWI()()cos2121qdqd當只有一相繞組通電時，儲存在電機氣隙中的磁場能量為 磁導(dǎo)變化曲線 ()()()()22211sin224mrdqrdWZdLdTIWIWIZddd rZ4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃

9、教材國家級規(guī)劃教材第16頁/共50頁步進電動機的矩角特性()maxmaxsinsinrTZT ()()42maxqdrWIZT4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第17頁/共50頁(4)靜態(tài)穩(wěn)態(tài)區(qū)：在空載時，穩(wěn)定平衡位置對應(yīng)于=0處，而=180度則為不穩(wěn)定平衡位置。在靜態(tài)情況下，如受外力矩的作用使轉(zhuǎn)子偏離穩(wěn)定平衡位置，但沒有超出相鄰的不穩(wěn)定平衡點，則當外力矩除去以后，電動機轉(zhuǎn)子在靜態(tài)轉(zhuǎn)矩作用下仍能回到原來的穩(wěn)定平衡點，所以二個不穩(wěn)定平衡點之間的區(qū)域構(gòu)成靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。(5)最大靜轉(zhuǎn)矩：Tmax=f(I)最大靜轉(zhuǎn)矩特性4)()(2maxqdrWIZKT4.

10、步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第18頁/共50頁六拍時的矩角特性族三拍時的矩角特性族32pseOAOBOCABACT(6) 矩角特性族4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第19頁/共50頁二、動態(tài)特性1. 單脈沖運行當加上一個控制脈沖信號，矩角特性將轉(zhuǎn)移到矩角特性族中的下一條矩角特性曲線，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)到新的穩(wěn)定平衡位置o1。在改變通電狀態(tài)時，只有當轉(zhuǎn)子起始位置位于ab之間才能使它向o1點運動。因此稱區(qū)間ab為電動機空載時的動態(tài)穩(wěn)定區(qū)。o0p-pTo1serab動態(tài)穩(wěn)定區(qū)靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)C4.步進電機普通高等教育普通

11、高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第20頁/共50頁動態(tài)穩(wěn)定區(qū)：(-p+se)(p+se)a點與o0點之間的夾角r稱為穩(wěn)定裕度(或裕量角)。裕量角越大，電動機運行越穩(wěn)定。2(2)rserrZmCmZ CmCpppp由上式可見，C=1時，反應(yīng)式步進電動機的相數(shù)最少為3。電動機的相數(shù)越多，步距角越小，相應(yīng)的穩(wěn)定裕度越大，運行的穩(wěn)定性也越好。最大負載轉(zhuǎn)矩(又稱起動轉(zhuǎn)矩)：4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第21頁/共50頁o0p-pTo1Tsto0TL2o1o0p-pTo1Tsto0TL1o1TL1Tst新矩角特性上對應(yīng)點的轉(zhuǎn)矩小于負載

12、轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不能到達新的穩(wěn)定平衡點o”1，而是向減小的方向運動，因此不能作步進運動。4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第22頁/共50頁由此可知，步進電動機能帶的最大負載轉(zhuǎn)矩要比最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax小。只有當負載轉(zhuǎn)矩小于起動轉(zhuǎn)矩(最大負載轉(zhuǎn)矩)Tst，才能保證電動機進行正常的步進運動。若矩角特性為幅值相等的正弦波時，可得：mCTTTTsesestppcos2cos2sinmaxmaxmax當C=1時，m 最小為3；m越大，起動轉(zhuǎn)矩越大；C越大，起動轉(zhuǎn)矩越大。轉(zhuǎn)子振蕩過程：以上分析時認為，切換控制繞組時，轉(zhuǎn)子單調(diào)地趨向新的平衡位置，但實際上要經(jīng)過一個衰減

13、的振蕩過程。4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第23頁/共50頁為減小振蕩幅度和時間，可增加阻尼：機械阻尼：增加電機轉(zhuǎn)子的干摩擦阻力或增加粘性阻力。缺點：增大了慣性，快速性能變壞，體積增大。電氣阻尼：多相激磁阻尼、延遲斷開阻尼。優(yōu)點：方法簡單，效果好。4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第24頁/共50頁當負載轉(zhuǎn)矩為零，且不計阻尼作用時，用外力使轉(zhuǎn)子偏離穩(wěn) 定平衡位置一個小角度，然后釋放，則轉(zhuǎn)子將在電磁轉(zhuǎn)矩作用下向穩(wěn)定位置運動，形成一個自由振蕩，其運動方程為：TdtdJeTdtdJsinmax220sin

14、22maxeerdtdTZJreZ022maxeerdtdTZJeesintee00cos解為：JTZrmax0JTZfrmax021p4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第25頁/共50頁2. 連續(xù)脈沖運行 極低頻-連續(xù)步進運行4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第26頁/共50頁脈沖頻率很低時的低頻共振 頻率介于極低頻與高頻之間，此時脈沖間隔較長，電動機起動和運行一般不會有問題。但是，如果等于或接近于步進電動機的振蕩頻率時，電動機就會出現(xiàn)低頻共振。A相通電，OAdOBeOBd，此時第二個脈沖到來，通電繞

15、組由B相換為C相，工作點由d移到f，由于轉(zhuǎn)矩為負，轉(zhuǎn)子返向轉(zhuǎn)動向OC移動。低頻共振現(xiàn)象 4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第27頁/共50頁脈沖頻率很高時的連續(xù)運行 當控制脈沖的頻率很高時，脈沖間隔的時間很短，電機轉(zhuǎn)子尚未到達第一次振蕩的幅值，甚至還沒有到達新的穩(wěn)定平衡位置，下一個脈沖就到來。此時電機的運行已由步進變成了連續(xù)平滑的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速也比較穩(wěn)定。 當頻率太高時，也會產(chǎn)生失步，甚至還會產(chǎn)生高頻振蕩。 連續(xù)運行狀態(tài) 4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第28頁/共50頁起動頻率和起動特性 fst 是指一

16、定負載轉(zhuǎn)矩下能夠不失步地起動的脈沖最高頻率，它的大小與電動機本身參數(shù)、負載轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)動慣量的大小，以及電源條件等因素有關(guān)。它是步進電動機的一項重要技術(shù)指標。 fst=f(TL) 起動矩頻特性 fst=f(J) 起動慣頻特性連續(xù)運行頻率與運行矩頻特性 步進電動機帶一定負載正常起動后，連續(xù)緩慢地升高脈沖頻率，直到不丟步運行的最高頻率，稱為運行頻率。4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第29頁/共50頁fLT0起動連續(xù)運行矩頻特性f0J起動慣頻特性4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第30頁/共50頁那么，為什么頻

17、率升高后電機的轉(zhuǎn)矩會下降呢？因為，控制繞組呈電感性，它具有延緩電流變化的作用。4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第31頁/共50頁4.4 其他型式步進電機1. 永磁式步進電動機定子為兩相(或多相)繞組；轉(zhuǎn)子為星形永久磁鋼；轉(zhuǎn)子極數(shù)應(yīng)與定子每相極數(shù)相同。極對數(shù)p=24.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第32頁/共50頁二相單四拍：定子繞組按AB(-A)(-B)A的次序通電，轉(zhuǎn)子將順時針方向轉(zhuǎn)過45。步距角為：pNs360mmNseppp222二相雙四拍：定子繞組按ABB(-A)(-A)(-B)(-B)AAB

18、的次序通電，轉(zhuǎn)子將順時針方向轉(zhuǎn)過45。永磁式步進電動機的特點是：步距角大，啟動和運行頻率低，需正負脈沖供電 ；但所需控制功率小，效率高。4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第33頁/共50頁2. 混合式步進電動機（永磁感應(yīng)子式）定子結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式步進電動機相同。轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鋼和兩段鐵芯組成，環(huán)形磁鋼在轉(zhuǎn)子中部，軸向充磁，兩段鐵芯分別裝在磁鋼的兩端。4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材NSNS定子鐵芯定子繞組轉(zhuǎn)子永磁磁通永磁體ABABAAS1234567812345678NBB第34頁/共50頁 氣隙上有兩個磁

19、動勢：一個永磁磁動勢，一個是控制繞組通電產(chǎn)生的磁動勢。它們有時相加，有時相減。故稱為混合式。運行原理(1) 定子A相繞組通電時，在電磁轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)子處于穩(wěn)定平衡位置，如下圖（a)所示。4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第35頁/共50頁(2)若使轉(zhuǎn)子偏離穩(wěn)定平衡位置，如下圖(b)所示，轉(zhuǎn)子向右偏離了一個角度，在不同端、不同極的轉(zhuǎn)矩作用方向是相同的，都是使轉(zhuǎn)子回到穩(wěn)定平衡位置的方向。4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材定子轉(zhuǎn)子3)(S)(N5)(N)(N)(N)(S5)(N3(S)(S)(S)轉(zhuǎn)子定子3)(

20、S)(NT5)(N)(N)(NT5)(N)(ST3T(S)(S)(S)（a)(b)第36頁/共50頁4.5 步進電動機的驅(qū)動電源一、對驅(qū)動電源的基本要求1.驅(qū)動電源的相數(shù)、通電方式和電壓、電流都要滿足步進電動機的要求；2.要滿足步進電動機起動頻率和連續(xù)運行頻率的要求；3.能最大限度地抑制步進電動機的振蕩；4.工作可靠，抗干擾能力強；5.成本低、效率高，安裝維護方便。4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第37頁/共50頁二、驅(qū)動電源組成變頻信號源脈沖分配器功率放大器步進電動機負載指令1. 變頻信號源：是一個脈沖頻率由幾赫到幾十千赫可連續(xù)變化的信號發(fā)生器

21、，可以是計算機或振蕩器。2. 脈沖分配器：一種邏輯電路，由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和門電路組成，它可能將輸入的電脈沖信號根據(jù)需要循環(huán)地分配到脈沖放大器進行功率放大，并使步進電動機按選定的運行方式工作。4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第38頁/共50頁三相單三拍脈沖分配器1J2J2K1K1Q1Q2Q2QCPCP1Q2Q2Q1Q2QABC0U預(yù)置ABCJKQ(t+1)說 明101置“1”010置“0”00Q(t)不變11(t)求補QJK觸發(fā)器真值表4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第39頁/共50頁三相單、雙六拍單轉(zhuǎn)

22、向脈沖分配器QQSRQQSRQQSRRS1RS2RS3123456ABC4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第40頁/共50頁3.功率驅(qū)動電路單極性驅(qū)動（反應(yīng)式步進電動機）q單一電壓型功率放大電路優(yōu)點：線路簡單，功率元件少，成本低。缺點：Rf1上要消耗能量，工作效率低。只適用于小功率步進電動機。如果電容C選擇不當，在低頻段會使振蕩有所增加，使低頻性能變差。4.步進電機普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材第41頁/共50頁q高、低電壓切換型功率放大電路優(yōu)點：優(yōu)點：電源功耗比較小，效率比較高。矩頻特性好，啟動和運行頻率得到了很大的提高。主要缺點：主要缺點：低頻運行時輸入能量過大，造