第4章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制課件

1、第四章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制 1.什么是步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。 您可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)您可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 2.步進(jìn)電機(jī)分哪幾種 步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM） ，反應(yīng)式（VR）和混合式（HB） 永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度； 反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家8

2、0年代已被淘汰； 混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 3.什么是保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE） 保持轉(zhuǎn)矩保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUEHOLDING TORQUE）是指步進(jìn)電機(jī)通電但）是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而

3、不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說(shuō)之一。比如，當(dāng)人們說(shuō)2N.m2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒(méi)有特的步進(jìn)電機(jī)，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為殊說(shuō)明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m2N.m的步進(jìn)電機(jī)。的步進(jìn)電機(jī)。 4.什么是DETENT TORQUE DETENT TORQUEDETENT TORQUE 是指步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有通電是指步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT TORQUE DETENT

4、 TORQUE 在國(guó)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的翻譯在國(guó)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒(méi)有它沒(méi)有DETENT TORQUEDETENT TORQUE。 5.步進(jìn)電機(jī)精度為多少是否累積 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%3-5%，且不累積且不累積。 6.步進(jìn)電機(jī)的外表溫度允許達(dá)到多少 步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)； 一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏一般來(lái)講，

5、磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200200度以度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-9080-90度完全正常。度完全正常。 7.為什么步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。從而導(dǎo)致力矩下降。 8.為什么步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正

6、常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲 步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)然后按一定加速度升到所

7、希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?。速?gòu)牡退偕礁咚伲?9.如何克服兩相混合式步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)和噪聲 步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪聲大是其固有的缺點(diǎn)，一般可采用以下方案來(lái)克服： A. 如步進(jìn)電機(jī)正好工作在共振區(qū)，可通過(guò)改變減速比等機(jī)械傳動(dòng)避開共振區(qū)； B. 采用帶有細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)器，這是最常用的、最簡(jiǎn)便的方法； C. 換成步距角更小的步進(jìn)電機(jī)，如三相或五相步進(jìn)電機(jī)； D. 換成交流伺服電機(jī)，幾乎可以完全克服震動(dòng)和噪聲，但成本較高； E. 在電機(jī)軸上加磁性阻尼器，市場(chǎng)上已有這種產(chǎn)品，但機(jī)械結(jié)構(gòu)改變較大。 10.10.細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)是否能代表精度細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)是否能代表精度 步

8、進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)（請(qǐng)參考有關(guān)文獻(xiàn)），其主要目的是減弱或消除步（請(qǐng)參考有關(guān)文獻(xiàn)），其主要目的是減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)的一個(gè)附帶功能。比如對(duì)于步進(jìn)角為技術(shù)的一個(gè)附帶功能。比如對(duì)于步進(jìn)角為1.81.8的兩的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，如果細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置相混合式步進(jìn)電機(jī)，如果細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為為4 4，那么電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)分辨率為每個(gè)脈沖，那么電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)分辨率為每個(gè)脈沖0.450.45，電，電機(jī)的精度能否達(dá)到或接近機(jī)的精度能否達(dá)到或接近0.450.45，還

9、取決于細(xì)分驅(qū)，還取決于細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分電流控制精度等其它因素。不同廠家的動(dòng)器的細(xì)分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器精度可能差別很大；細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越細(xì)分驅(qū)動(dòng)器精度可能差別很大；細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制難控制。 機(jī)理機(jī)理：步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號(hào)步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號(hào) 轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來(lái)一個(gè)轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來(lái)一個(gè) 電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，帶動(dòng)機(jī)械移電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，帶動(dòng)機(jī)械移 動(dòng)一小段距離。動(dòng)一小段距離。特點(diǎn)特點(diǎn)：(1)來(lái)一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。來(lái)一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。 (2)控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速?？刂泼}沖頻率，

10、可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 (3)改變脈沖順序，改變方向。改變脈沖順序，改變方向。種類種類： 有勵(lì)磁式和反應(yīng)式兩種。兩種的區(qū)別在于勵(lì)磁式步有勵(lì)磁式和反應(yīng)式兩種。兩種的區(qū)別在于勵(lì)磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁線圈，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁線圈，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有勵(lì)磁線圈。上沒(méi)有勵(lì)磁線圈。應(yīng)用：應(yīng)用： 步進(jìn)機(jī)的應(yīng)用非常廣泛。如：在數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)步進(jìn)機(jī)的應(yīng)用非常廣泛。如：在數(shù)控機(jī)床、自動(dòng) 繪圖儀等設(shè)備中都得到應(yīng)用。繪圖儀等設(shè)備中都得到應(yīng)用。 下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。工作原理。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 步進(jìn)機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)

11、子。它們均步進(jìn)機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均由磁性材料構(gòu)成，其上分別有六個(gè)、四個(gè)磁極由磁性材料構(gòu)成，其上分別有六個(gè)、四個(gè)磁極 。定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子繞組定子繞組 定子的六個(gè)磁極上有控制繞組，兩個(gè)相對(duì)的磁極定子的六個(gè)磁極上有控制繞組，兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一相。組成一相。 注意：注意：這里的相和三相交流電中的這里的相和三相交流電中的“相相”的概念的概念不同。步進(jìn)機(jī)通的是直流電脈沖，這主要是指線圖不同。步進(jìn)機(jī)通的是直流電脈沖，這主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。ABC定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子IA工作方式工作方式 步進(jìn)電機(jī)的工作方式可分為：步進(jìn)電機(jī)的工作方式可分為：三相單三拍、三相單三

12、相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。雙六拍、三相雙三拍等。一、三相單三拍一、三相單三拍（1 1）三相繞組聯(lián)接方式：）三相繞組聯(lián)接方式：Y 型型（2 2）三相繞組中的通電順序?yàn)椋海┤嗬@組中的通電順序?yàn)椋篈 相相 B 相相 C 相相通電順序也可以為：通電順序也可以為： A 相相 C 相相 B 相相 （3）工作過(guò)程）工作過(guò)程化，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使通電相磁化，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使通電相磁路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊停止轉(zhuǎn)動(dòng)。路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊停止轉(zhuǎn)動(dòng)。A 相通電，相通電，A 方向的磁方向的磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場(chǎng)軸線方向若轉(zhuǎn)子和

13、磁場(chǎng)軸線方向原有一定角度，則在磁原有一定角度，則在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子被磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子被磁A A 相通電使轉(zhuǎn)子相通電使轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒和齒和 AA 對(duì)齊。對(duì)齊。CABBCA3412CABBCA3412同理，同理，B相通電，轉(zhuǎn)子相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和齒和B相軸線對(duì)齊，相軸線對(duì)齊，相對(duì)相對(duì)A相通電位置轉(zhuǎn)相通電位置轉(zhuǎn)30 ；C相通電再轉(zhuǎn)相通電再轉(zhuǎn)30 。1C342CABBA 這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，所以稱三相而且，一個(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，所以稱三相單三拍。單三拍。三相單三拍的特點(diǎn)：三相單三拍的

14、特點(diǎn)：（1）每來(lái)一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)）每來(lái)一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò) 30 。此角稱為。此角稱為步距角，用步距角，用 S表示。表示。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。二、三相單雙六拍二、三相單雙六拍三相繞組的通電順序?yàn)椋喝嗬@組的通電順序?yàn)椋?AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作過(guò)程：工作過(guò)程：A相通電，相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒和齒和A相對(duì)齊。相對(duì)齊。CABBCA3412所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)AA 通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了1

15、5。（1）BB 磁場(chǎng)對(duì)磁場(chǎng)對(duì) 2、4 齒有磁拉力，該拉力使齒有磁拉力，該拉力使 轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。A、B相同時(shí)通電相同時(shí)通電（2）AA 磁場(chǎng)繼續(xù)對(duì)磁場(chǎng)繼續(xù)對(duì)1、3齒有拉力。齒有拉力。CABBCA3412總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為為三相六拍，步距角為15 。CABBCA3412B相通電，相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子2、4齒和齒和B相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了15 。三、三相雙三拍三、三相雙三拍三相繞組的通電順序?yàn)椋喝嗬@組的通電順序?yàn)椋?AB BC CA AB 共三拍。共三拍。AB通電通電CABBCA3412

16、CABBCA3412BC通電通電以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。工作方式為三相雙三工作方式為三相雙三拍時(shí)，每通入一個(gè)電拍時(shí)，每通入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30 ，即，即 S = 30 。CA通電通電CABBCA3412小步距角的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)小步距角的步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 實(shí)際采用的步進(jìn)電機(jī)的步距角多為實(shí)際采用的步進(jìn)電機(jī)的步距角多為3度和度和1.5度，步距角越小，機(jī)加工的精度越高。度，步距角越小，機(jī)加工的精度越高。為產(chǎn)生小步距角，定、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，為產(chǎn)生小步距角，定、轉(zhuǎn)子都做

17、成多齒的，圖中轉(zhuǎn)子圖中轉(zhuǎn)子40個(gè)齒，定子仍是個(gè)齒，定子仍是 6個(gè)磁極，但每個(gè)磁個(gè)磁極，但每個(gè)磁極上也有五個(gè)齒。極上也有五個(gè)齒。轉(zhuǎn)子的齒距轉(zhuǎn)子的齒距等于等于360 / 40=9 ，齒寬、齒槽各，齒寬、齒槽各4.5 。 為使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊，定子磁極上的小齒，為使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊，定子磁極上的小齒，齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相同。齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相同。工作原理：工作原理：假設(shè)是單三拍通電工作方式。假設(shè)是單三拍通電工作方式。（1）A 相通電時(shí)，定子相通電時(shí)，定子A 相的五個(gè)小齒和轉(zhuǎn)子對(duì)相的五個(gè)小齒和轉(zhuǎn)子對(duì)齊。此時(shí)，齊。此時(shí)，B 相和相和 A 相空間差相空間差120120 ，含，含 120120 /9/9 =

18、= 齒齒 A 相和相和 C 相差相差240240 ，含，含240240 / / 9 9 = = 個(gè)個(gè)齒。所以，齒。所以，A 相的轉(zhuǎn)子、定子的五個(gè)小齒對(duì)相的轉(zhuǎn)子、定子的五個(gè)小齒對(duì)齊時(shí)，齊時(shí)，B 相、相、C 相不能對(duì)齊，相不能對(duì)齊，B相的轉(zhuǎn)子、相的轉(zhuǎn)子、定子相差定子相差 1/3 1/3 個(gè)齒（個(gè)齒（3 3 ），），C相的轉(zhuǎn)子、定相的轉(zhuǎn)子、定子相差子相差2/32/3個(gè)齒（個(gè)齒（6 6 ）。）。31133226若工作方式改為三相六拍，則每通一個(gè)電脈沖，若工作方式改為三相六拍，則每通一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn) 1.5 。異步機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向仍由相序決定。異步機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向仍由相序決定。同理，同理，C 相通電

19、再轉(zhuǎn)相通電再轉(zhuǎn)3 （2）A 相斷電、相斷電、B 相通電后，轉(zhuǎn)子只需轉(zhuǎn)過(guò)相通電后，轉(zhuǎn)子只需轉(zhuǎn)過(guò)1/3個(gè)個(gè) 齒（齒（3 ），使），使 B 相轉(zhuǎn)子、定子對(duì)齊。相轉(zhuǎn)子、定子對(duì)齊。f：電脈沖的頻率電脈沖的頻率 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速36060sfn 步進(jìn)機(jī)通過(guò)一個(gè)電脈沖步進(jìn)機(jī)通過(guò)一個(gè)電脈沖,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度,稱為稱為步距角。步距角。m:一個(gè)周期的運(yùn)行拍數(shù)一個(gè)周期的運(yùn)行拍數(shù)Zr：轉(zhuǎn)子齒數(shù)：轉(zhuǎn)子齒數(shù)mZrS360如：如：Zr=40 , m=3 時(shí)時(shí)3340360S步距角步距角 第四章第四章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制 4.1 4.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分為反應(yīng)式、永磁式

20、和永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分為反應(yīng)式、永磁式和永磁感應(yīng)式 4.1.1 4.1.1 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為變磁阻式電動(dòng)機(jī)，其定反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為變磁阻式電動(dòng)機(jī)，其定子和轉(zhuǎn)子均由硅鋼片鐵芯組成，定子上由若干對(duì)磁極，子和轉(zhuǎn)子均由硅鋼片鐵芯組成，定子上由若干對(duì)磁極，磁極上有控制繞組。磁極上有控制繞組。 4.1.2 永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子極上有兩永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子極上有兩相或多相控制繞組，轉(zhuǎn)子為一隊(duì)或相或多相控制繞組，轉(zhuǎn)子為一隊(duì)或多對(duì)極的星形永久磁鋼。轉(zhuǎn)子的極多對(duì)極的星形永久磁鋼。轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子每相的極數(shù)相同。數(shù)與定子每相的極數(shù)相同。 4.1.3

21、4.1.3 永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)亦稱為混合式步進(jìn)永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)亦稱為混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。定子結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)類電動(dòng)機(jī)。定子結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)類似，而轉(zhuǎn)子由環(huán)行磁鋼且兩端罩上兩段帽似，而轉(zhuǎn)子由環(huán)行磁鋼且兩端罩上兩段帽式鐵芯。這兩段轉(zhuǎn)子鐵芯的外圓周上有均式鐵芯。這兩段轉(zhuǎn)子鐵芯的外圓周上有均布的齒槽，二者的裝配位置從軸向看上去布的齒槽，二者的裝配位置從軸向看上去錯(cuò)開半個(gè)齒距。錯(cuò)開半個(gè)齒距。 4.2 4.2 特性及主要技術(shù)指標(biāo)特性及主要技術(shù)指標(biāo) 4.2.1 4.2.1 靜態(tài)運(yùn)行特性靜態(tài)運(yùn)行特性 靜態(tài)運(yùn)行特性主要指矩角特性。矩角特性是在不改變靜態(tài)運(yùn)

22、行特性主要指矩角特性。矩角特性是在不改變控制繞組通電狀態(tài)的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的控制繞組通電狀態(tài)的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由于磁路磁阻隨關(guān)系曲線。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由于磁路磁阻隨轉(zhuǎn)子位置變化而產(chǎn)生的。轉(zhuǎn)子位置變化而產(chǎn)生的。 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁路中的氣隙發(fā)生改變，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁路中的氣隙發(fā)生改變，磁路磁阻也發(fā)生變化，由磁路歐姆定律：磁路磁阻也發(fā)生變化，由磁路歐姆定律：2( )( )( )MMMiNRMMNMMiNMRiNR或者式中：電磁鐵的激磁安匝；磁路磁阻，轉(zhuǎn)子位置 的函數(shù)；氣隙磁通；磁鏈。 電磁場(chǎng)能量為電磁場(chǎng)能量為 電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩22 2001

23、2iiMMMMN iN iWdidiRR（ ）（ ）d12dMMemMWRiNTR （ ）（ ） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩sin(2)sin()2 /214emsmserrrrmrrTTTzPPznPzsm式中：轉(zhuǎn)子齒定距（義為）T最大轉(zhuǎn)矩，發(fā)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的生在處電角度。 4.2.2 4.2.2 步距角和轉(zhuǎn)速步距角和轉(zhuǎn)速 考慮通電方式后，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的考慮通電方式后，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角步距角 s s由由轉(zhuǎn)子齒距轉(zhuǎn)子齒距P Pr r、控制繞組相數(shù)、控制繞組相數(shù)m m及通電方式（及通電方式（通通電方式系數(shù)電方式系數(shù)c c）決定：）決定：0360120360,( /min)60rPrsm

24、cmz crcfffn rsmz crfnmz c式中： 為通電方式系數(shù)，單拍或雙拍時(shí)取 ，單、雙拍交替時(shí)取 。步距角確定后，通以一定頻率 的脈沖，每秒鐘轉(zhuǎn)過(guò)的角度為它相應(yīng)的轉(zhuǎn)速為 4.2.3 4.2.3 單脈沖運(yùn)行特性單脈沖運(yùn)行特性 動(dòng)穩(wěn)定區(qū)的邊界動(dòng)穩(wěn)定區(qū)的邊界a a點(diǎn)到初始穩(wěn)定平衡位置點(diǎn)到初始穩(wěn)定平衡位置O O0 0點(diǎn)的區(qū)域點(diǎn)的區(qū)域 r r稱為稱為裕量角裕量角。00000003603601801801360180sinsin180cos22rrrses rstrstsmsmsmzmz cmczTTTTTmcmc式中利用關(guān)系式最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩 又稱為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；（）=214errsrnzp（）電角

25、度步距角裕量角000001212emrsmrsmKfJdTKz Tdz TfJ從反方向向平衡位置運(yùn)動(dòng)，可能形成振蕩，其自由振蕩頻率為:，因?yàn)閯偠?4.2.4 連續(xù)脈沖運(yùn)行特性啟動(dòng)頻率啟動(dòng)頻率連續(xù)運(yùn)行頻率連續(xù)運(yùn)行頻率 計(jì)算慣性轉(zhuǎn)矩有兩種情況： 1、加速度控制的轉(zhuǎn)矩方程：2/2222TJN mJTtSrJsTtsSrtTJN mJTSr （）其中：總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，步進(jìn)速率變化，步；容許加速時(shí)間， ；步進(jìn)分辨率（步/r）。2、無(wú)加、減速控制時(shí)，步進(jìn)電機(jī)可能的最大滯后為2步，滯后時(shí)間因此，無(wú)加、減速控制的慣性轉(zhuǎn)矩方程為：（）什么情況下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)生丟步？什么情況下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)生丟步？（1 1）啟動(dòng)力矩

26、小于負(fù)載力矩和摩擦力矩之和；）啟動(dòng)力矩小于負(fù)載力矩和摩擦力矩之和；（2 2）如果脈沖頻率高于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載正常啟動(dòng)頻率，）如果脈沖頻率高于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載正常啟動(dòng)頻率，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)；（3 3）低頻共振區(qū)；）低頻共振區(qū)；（4 4）高頻振蕩區(qū)；）高頻振蕩區(qū)； 4.3 4.3 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路 對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路有如下要求：對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路有如下要求： 1 1、能夠提供快速上升和快速下降的電流，使、能夠提供快速上升和快速下降的電流，使 電流波形盡量接近矩形；電流波形盡量接近矩形； 2 2、具有供截止期間釋放電流的回路，以降低、具有供截止期間釋放電流的回路，以降低 相繞組兩端的反電動(dòng)勢(shì)