第3章步進電機及其控制

1、Stepping Motors機理機理：步進電機是利用電磁鐵原理，將脈沖信號步進電機是利用電磁鐵原理，將脈沖信號 轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機。每來一個轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機。每來一個 電脈沖，電機轉(zhuǎn)動一個角度，帶動機械移電脈沖，電機轉(zhuǎn)動一個角度，帶動機械移 動一小段距離。動一小段距離。 特點特點：(1)來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。 (2)控制脈沖頻率，可控制電機轉(zhuǎn)速。控制脈沖頻率，可控制電機轉(zhuǎn)速。 (3)改變脈沖順序，改變轉(zhuǎn)動方向。改變脈沖順序，改變轉(zhuǎn)動方向。以反應式為例說明步進電機的結(jié)構和原理以反應式為例說明步進電機的結(jié)構和原理通常按勵磁方式分為三大類：通常按勵磁

2、方式分為三大類：步進電機的種類步進電機的種類：3.1.1 3.1.1 步進電動機結(jié)構步進電動機結(jié)構反應式步進電機反應式步進電機特點特點 定轉(zhuǎn)子開小定轉(zhuǎn)子開小齒齒 定轉(zhuǎn)子均為定轉(zhuǎn)子均為軟磁材料軟磁材料1)1) 小步距小步距 步進機主要由兩部分構成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均步進機主要由兩部分構成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均由磁性材料構成，其上分別有六個、四個磁極由磁性材料構成，其上分別有六個、四個磁極 。定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子定子繞組定子繞組定子的六個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極組定子的六個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極組成一相。成一相。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”的概念不的概念不同

3、。步進機通的是直流電脈沖，這主要是指線路的同。步進機通的是直流電脈沖，這主要是指線路的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。ABC定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子IAIBIC永磁式步進電機結(jié)構永磁式步進電機結(jié)構特點特點 轉(zhuǎn)子磁極為轉(zhuǎn)子磁極為永磁材料永磁材料 定子每極相定子每極相數(shù)等于轉(zhuǎn)子數(shù)等于轉(zhuǎn)子極數(shù)極數(shù)1)1) 不開小齒，不開小齒，大步矩、大大步矩、大力矩力矩混合式步進電機混合式步進電機(Hybrid)(Hybrid)結(jié)構結(jié)構特點：轉(zhuǎn)子永磁、兩極，定轉(zhuǎn)子均開小齒，混合二特點：轉(zhuǎn)子永磁、兩極，定轉(zhuǎn)子均開小齒，混合二者優(yōu)點。者優(yōu)點。3.1.2 工作方式工作方式 步進電機的工作方式可分為：步進電機的工作方式可分為：

4、三相單三拍、三相單三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍雙六拍、三相雙三拍等等。（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為：）三相繞組中的通電順序為：A 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）工作過程）工作過程化，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)、定子的齒對齊停止轉(zhuǎn)動。路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對齊停止轉(zhuǎn)動。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)子和磁場軸線方向若轉(zhuǎn)子和磁場軸線方

5、向原有一定角度，則在磁原有一定角度，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子被磁場的作用下，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 對齊。對齊。CABBCA3412CABBCA3412B相通電，轉(zhuǎn)子相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒齒和和B相軸線對齊，相對相軸線對齊，相對A相通電位置轉(zhuǎn)相通電位置轉(zhuǎn)30 ；1C342CABBAC相通電再轉(zhuǎn)相通電再轉(zhuǎn)30 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，一個循環(huán)周期共包括三個脈沖，所以稱三相而且，一個循環(huán)周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。單三拍。三相單三拍的特點：三相單三拍的特點：（1）每來一個電脈沖

6、，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過）每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 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為：三相繞組的通電順序為： AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作過程：工作過程：A相通電，相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒和齒和A相對齊。相對齊。CABBCA3412所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA 通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15。（1）BB 磁場對磁場

7、對 2、4 齒有磁拉力，該拉力使齒有磁拉力，該拉力使 轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。A、B相同時通電相同時通電（2）AA 磁場繼續(xù)對磁場繼續(xù)對1、3齒有拉力。齒有拉力。CABBCA3412總之，每個循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱總之，每個循環(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相對齊，又轉(zhuǎn)了相對齊，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為：三相繞組的通電順序為： AB BC CA AB 共三拍。共三拍。AB通電通電CABBCA3412CABBCA3412BC通

8、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，每通入一個電拍時，每通入一個電脈沖，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CABBCA34123-1-3 小步距角的步進電動機小步距角的步進電動機 實際采用的步進電機的步距角多為實際采用的步進電機的步距角多為3度和度和1.5 度，步距角越小，機加工的精度越高。度，步距角越小，機加工的精度越高。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)子都做成多齒的，圖

9、中轉(zhuǎn)子圖中轉(zhuǎn)子40個齒，定子仍是個齒，定子仍是 6個磁極，但每個磁個磁極，但每個磁極上也有五個齒。極上也有五個齒。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)、定子的齒對齊，定子磁極上的小齒，為使轉(zhuǎn)、定子的齒對齊，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：假設是單三拍通電工作方式。假設是單三拍通電工作方式。（1）A 相通電時，定子相通電時，定子A 相的五個小齒和轉(zhuǎn)子對相的五個小齒和轉(zhuǎn)子對齊。此時，齊。此時，B 相和相和 A 相空間差相空間差120120 ，含，含 120120 /9/9 = = 齒齒 A

10、 相和相和 C 相差相差240240 ，含，含240240 / / 9 9 = = 個個齒。所以，齒。所以，A 相的轉(zhuǎn)子、定子的五個小齒對相的轉(zhuǎn)子、定子的五個小齒對齊時，齊時，B 相、相、C 相不能對齊，相不能對齊，B相的轉(zhuǎn)子、相的轉(zhuǎn)子、定子相差定子相差 1/3 1/3 個齒（個齒（3 3 ），），C相的轉(zhuǎn)子、定相的轉(zhuǎn)子、定子相差子相差2/32/3個齒（個齒（6 6 ）。）。31133226若工作方式改為三相六拍，則每通一個電脈沖，若工作方式改為三相六拍，則每通一個電脈沖，轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn) 1.5 。步進電機的轉(zhuǎn)動方向仍由相序決定。步進電機的轉(zhuǎn)動方向仍由相序決定。同理，同理，C 相通電再轉(zhuǎn)相通

11、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)過相通電后，轉(zhuǎn)子只需轉(zhuǎn)過1/3個個 齒（齒（3 ），使），使 B 相轉(zhuǎn)子、定子對齊。相轉(zhuǎn)子、定子對齊。3-1-4 步進電機的特點步進電機的特點1 1）步進電機工作時，每相繞組由步進電機工作時，每相繞組由專門的驅(qū)動電源專門的驅(qū)動電源通通過過“環(huán)形分配器環(huán)形分配器”按一定規(guī)律按一定規(guī)律輪流通電。輪流通電。步進電機輪流通電方式步進電機輪流通電方式分配方式分配方式每一次循環(huán)所包含的通電狀態(tài)數(shù)每一次循環(huán)所包含的通電狀態(tài)數(shù)拍數(shù)拍數(shù)狀態(tài)數(shù)狀態(tài)數(shù)= =相數(shù)相數(shù)單拍制分配方式單拍制分配方式 ( (如：三相單三拍、四相雙四拍如：三相單三拍、四相雙四拍)

12、)狀態(tài)數(shù)狀態(tài)數(shù)= =相數(shù)的兩倍相數(shù)的兩倍雙拍制分配方式雙拍制分配方式 ( (如：三相六拍、四相八拍如：三相六拍、四相八拍) )Nff 相通電脈沖頻率通電脈沖頻率拍數(shù)拍數(shù)步進機通過一個電脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度步進機通過一個電脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度,稱為稱為N:一個周期的運行拍數(shù)一個周期的運行拍數(shù)Zr：轉(zhuǎn)子齒數(shù)：轉(zhuǎn)子齒數(shù)NZrS360如：如：Zr=40 , N=3 時時3340360S2) 步距角步距角拍數(shù)：拍數(shù)：N=kmk=1 1 單拍制單拍制2 2 雙拍制雙拍制m:m:相數(shù)相數(shù) 3) 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速每輸入一個脈沖，電機轉(zhuǎn)過每輸入一個脈沖，電機轉(zhuǎn)過NZrS360min)/(63603606060rfNZfNZ

13、fnsrr即轉(zhuǎn)過整個圓周的即轉(zhuǎn)過整個圓周的1/(Z1/(Zr rN N）, , 也就是也就是1/(Z1/(Zr rN N）轉(zhuǎn)）轉(zhuǎn)因此每分鐘轉(zhuǎn)過的圓周數(shù)，即轉(zhuǎn)速為因此每分鐘轉(zhuǎn)過的圓周數(shù)，即轉(zhuǎn)速為4)4)步進電機具有自鎖能力步進電機具有自鎖能力當控制脈沖停止輸入、而使最后一個脈沖控制的繞當控制脈沖停止輸入、而使最后一個脈沖控制的繞組繼續(xù)通電時，電機可以保持在固定位置。組繼續(xù)通電時，電機可以保持在固定位置。步進電動機的振蕩和失步是步進電動機的振蕩和失步是種普遍存在的現(xiàn)象，它種普遍存在的現(xiàn)象，它影響應用系統(tǒng)的正常運行，國此要盡力去避免。影響應用系統(tǒng)的正常運行，國此要盡力去避免。步進電動機的振蕩現(xiàn)象主要

14、發(fā)生于：步進電動機的振蕩現(xiàn)象主要發(fā)生于：步進電動機工作在低頻區(qū)；步進電動機工作在低頻區(qū)；步進電動機工作在共振區(qū)；步進電動機工作在共振區(qū)；步進電動機突然停車時。步進電動機突然停車時。1 1）低頻振蕩：）低頻振蕩：當步進電動機工作在當步進電動機工作在區(qū)時，由于勵磁脈沖間隔的區(qū)時，由于勵磁脈沖間隔的時間較長，步進電動機表現(xiàn)為時間較長，步進電動機表現(xiàn)為。當勵磁開始時，轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下加速轉(zhuǎn)動。在當勵磁開始時，轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下加速轉(zhuǎn)動。在到達平衡點時。電磁驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為零，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速最到達平衡點時。電磁驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為零，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速最大由于慣性，轉(zhuǎn)子沖過平衡點。這時電磁力產(chǎn)生負大由于慣性，轉(zhuǎn)子沖過平衡

15、點。這時電磁力產(chǎn)生負轉(zhuǎn)還，轉(zhuǎn)子在負轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)速逐漸為零，并開轉(zhuǎn)還，轉(zhuǎn)子在負轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)速逐漸為零，并開始反向轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)過平衡點后。電磁力又產(chǎn)生始反向轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)過平衡點后。電磁力又產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，迫使轉(zhuǎn)子又正向轉(zhuǎn)動。如此下去，形成轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)矩，迫使轉(zhuǎn)子又正向轉(zhuǎn)動。如此下去，形成轉(zhuǎn)子圍繞平衡點的振蕩。由于有機械摩擦和電磁阻尼的作圍繞平衡點的振蕩。由于有機械摩擦和電磁阻尼的作用，這個振蕩表現(xiàn)為衰減振蕩、最終穩(wěn)定在平衡點。用，這個振蕩表現(xiàn)為衰減振蕩、最終穩(wěn)定在平衡點。2 2） 低頻共振：低頻共振：當步進電動機的脈沖頻率接近步進電動機的固有振蕩當步進電動機的脈沖頻率接近步進電動機的固有振

16、蕩頻率或振蕩頻率的分頻或倍頻時，會使振蕩加劇，嚴頻率或振蕩頻率的分頻或倍頻時，會使振蕩加劇，嚴重時造成失步。重時造成失步。當步進電動機工作在高頻區(qū)時，由于換相周期短，轉(zhuǎn)當步進電動機工作在高頻區(qū)時，由于換相周期短，轉(zhuǎn)子來不及反沖。同時。繞組中的電流尚未上升到穩(wěn)定子來不及反沖。同時。繞組中的電流尚未上升到穩(wěn)定值，轉(zhuǎn)子沒有獲得足夠的能量，所以在這個上作區(qū)中值，轉(zhuǎn)子沒有獲得足夠的能量，所以在這個上作區(qū)中不會產(chǎn)生振蕩。不會產(chǎn)生振蕩。2 2、 步進電動機的失步原因有步進電動機的失步原因有2 2種：種：這主要發(fā)這主要發(fā)生在制動和突然換向時，轉(zhuǎn)子獲得過多的能量，產(chǎn)生生在制動和突然換向時，轉(zhuǎn)子獲得過多的能量，產(chǎn)

17、生嚴重的過沖，引起失步。嚴重的過沖，引起失步。例：步進電動機在啟動時，如果脈沖的頻率較高，由于例：步進電動機在啟動時，如果脈沖的頻率較高，由于電動機來不及獲得足夠的能量，轉(zhuǎn)子無法跟上旋轉(zhuǎn)磁場電動機來不及獲得足夠的能量，轉(zhuǎn)子無法跟上旋轉(zhuǎn)磁場的速度，所以引起失步。因此，的速度，所以引起失步。因此，步進電動機有一個啟動步進電動機有一個啟動頻率頻率。超過啟動頻率啟動時，肯定會產(chǎn)少失步。超過啟動頻率啟動時，肯定會產(chǎn)少失步。注意：注意：啟動頻率不是一個固定值啟動頻率不是一個固定值提高電動機的轉(zhuǎn)矩、減小負提高電動機的轉(zhuǎn)矩、減小負載轉(zhuǎn)動慣量、減小步距角都可以提高步進電動機的啟動載轉(zhuǎn)動慣量、減小步距角都可以提高

18、步進電動機的啟動頻率。頻率。消除振蕩消除振蕩機械阻尼法和電子阻尼法機械阻尼法和電子阻尼法機械阻尼法比較單一，就是在電動機軸上加阻尼器，機械阻尼法比較單一，就是在電動機軸上加阻尼器，電子阻尼法則有多種：電子阻尼法則有多種：1)1)多相勵磁法多相勵磁法多相勵磁會產(chǎn)生電磁阻尼，削弱或消除振蕩現(xiàn)象，如多相勵磁會產(chǎn)生電磁阻尼，削弱或消除振蕩現(xiàn)象，如電動機的雙三拍和六柏方式。電動機的雙三拍和六柏方式。2)2)變頻變壓法變頻變壓法步進電機在高頻和在低頻時轉(zhuǎn)子所獲得的能量不一樣。步進電機在高頻和在低頻時轉(zhuǎn)子所獲得的能量不一樣。在低頻時，繞組中的電流上升時間長，轉(zhuǎn)子獲得的能量在低頻時，繞組中的電流上升時間長，轉(zhuǎn)

19、子獲得的能量大，因此容易產(chǎn)生振蕩，在高頻時則相反。所以，可以大，因此容易產(chǎn)生振蕩，在高頻時則相反。所以，可以設計一種電路，使電壓隨頻率的降低而減小，這樣使繞設計一種電路，使電壓隨頻率的降低而減小，這樣使繞組在低頻時的電流減小，可以有效地消除振蕩。組在低頻時的電流減小，可以有效地消除振蕩。3)3)細分步法細分步法將步進電動機繞組中的穩(wěn)定電流分成若干級，每進一將步進電動機繞組中的穩(wěn)定電流分成若干級，每進一步，電流升一級，也相對地提高步進頻率，使步進過步，電流升一級，也相對地提高步進頻率，使步進過程平穩(wěn)進行。程平穩(wěn)進行。4)4)反相阻尼法反相阻尼法用于步進電動機制動用于步進電動機制動在步進電動機轉(zhuǎn)子

20、要過平衡點之前，加一個反向作用在步進電動機轉(zhuǎn)子要過平衡點之前，加一個反向作用力以平衡慣性力，使轉(zhuǎn)子到達平衡點時速度為零，實力以平衡慣性力，使轉(zhuǎn)子到達平衡點時速度為零，實現(xiàn)準確制動。例如，三相步進電動機工作在單三拍，現(xiàn)準確制動。例如，三相步進電動機工作在單三拍，正處于正處于B B拍，并希望它停在拍，并希望它停在C C拍，則控制換相拍，則控制換相B-C-B-C,B-C-B-C,第二個第二個B B拍起平衡慣性力作用，而不是讓電動機走一步拍起平衡慣性力作用，而不是讓電動機走一步單相通電時矩角特性單相通電時矩角特性1 1、單相通電、單相通電 e e=0=0無切向力無切向力Te=0Te=0 e e00切向

21、力切向力負轉(zhuǎn)矩負轉(zhuǎn)矩 e e= = /2 /2 Te=maxTe=max e e= = 兩齒之間兩齒之間切向力抵切向力抵Te=0Te=0 e e 位于下個位于下個定子齒附定子齒附近，產(chǎn)生近，產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩正轉(zhuǎn)矩三相電機兩相通電的矩角特性三相電機兩相通電的矩角特性2 2、多相通電、多相通電對于三相步進電動機來說，兩相通電時的最大轉(zhuǎn)矩對于三相步進電動機來說，兩相通電時的最大轉(zhuǎn)矩與單相通電時的最大轉(zhuǎn)矩相同，也就是說，三相步與單相通電時的最大轉(zhuǎn)矩相同，也就是說，三相步進電動機不能靠增加通電相數(shù)來提高最大轉(zhuǎn)矩。進電動機不能靠增加通電相數(shù)來提高最大轉(zhuǎn)矩。多相通電多相通電時的矩角時的矩角特性可近特性可近似地由每

22、似地由每相單獨通相單獨通電時的矩電時的矩角特性疊角特性疊加求出加求出3 3單步運行與最大負載能力單步運行與最大負載能力1 1）負載）負載T TL LTTTL L 轉(zhuǎn)子加速轉(zhuǎn)子加速向新平衡點向新平衡點a a 運動。運動。 步進運行所能提供的連續(xù)的最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為步進運行所能提供的連續(xù)的最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為A A、B B兩條兩條曲線的交點縱坐標曲線的交點縱坐標T Tq q。只有當負載轉(zhuǎn)短。只有當負載轉(zhuǎn)短T TL LT Tq q時，步進時，步進電動機才能帶動負載作步進運動。因此，電動機才能帶動負載作步進運動。因此，T Tq q 稱為最大稱為最大負載轉(zhuǎn)矩或啟動轉(zhuǎn)矩負載轉(zhuǎn)矩或啟動轉(zhuǎn)矩。2 2）負載）負載T TL

23、 LTTq q-A-A相通電穩(wěn)定平衡位置為相通電穩(wěn)定平衡位置為d d點點A A相相B B相相: :轉(zhuǎn)子位置來不及變化（慣性），矩角特性轉(zhuǎn)子位置來不及變化（慣性），矩角特性變?yōu)榍€變?yōu)榍€B,TB,Td d TTL L 轉(zhuǎn)子不能向新平衡點轉(zhuǎn)子不能向新平衡點e e運動。運動。三相電機兩相通電的矩角特性三相電機兩相通電的矩角特性三相步進電機六拍通電方式下，三相步進電機六拍通電方式下，TqTq升高，有助于電機升高，有助于電機的穩(wěn)定運行。的穩(wěn)定運行。3.2.3 步進電機的矩頻特性步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩與控制脈沖頻率之間的關步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩與控制脈沖頻率之間的關系稱為矩頻特性系稱為矩頻特性步進電動機矩頻

24、特性步進電動機矩頻特性下降曲線。以最下降曲線。以最大負載轉(zhuǎn)矩（啟大負載轉(zhuǎn)矩（啟動轉(zhuǎn)矩）動轉(zhuǎn)矩）T Tq q為起為起點，隨著控制脈點，隨著控制脈沖頻率增加，步?jīng)_頻率增加，步進電動機的轉(zhuǎn)速進電動機的轉(zhuǎn)速逐步升高、而帶逐步升高、而帶負載能力卻下降負載能力卻下降共振區(qū)共振區(qū)矩頻特性下降的原因：矩頻特性下降的原因：步進電動機的驅(qū)動電路步進電動機的驅(qū)動電路1 1）、繞組電感影響：）、繞組電感影響：2 2）鐵耗：鐵耗： 隨著頻率上升，隨著頻率上升，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，在定子繞組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，在定子繞組中產(chǎn)生的附加旋轉(zhuǎn)電勢使電中產(chǎn)生的附加旋轉(zhuǎn)電勢使電動機受到更大的阻尼轉(zhuǎn)矩，動機受到更大的阻尼轉(zhuǎn)矩，鐵芯的渦損也增加。

25、鐵芯的渦損也增加。1)1)減小時間常數(shù)減小時間常數(shù)可增大電阻。為了保證通電回路中的電流不變，可增大電阻。為了保證通電回路中的電流不變，在增加電阻的同時，還要提高電源電壓。在增加電阻的同時，還要提高電源電壓。2)2)改進工作方式改進工作方式采用多相勵磁的工作方式，例如，三相步進電動采用多相勵磁的工作方式，例如，三相步進電動機的雙三拍、六拍方式。多相勵磁工作方式使每機的雙三拍、六拍方式。多相勵磁工作方式使每一相通電的時間延長，電動機就能獲得較多的能一相通電的時間延長，電動機就能獲得較多的能量，使高額時輸出的轉(zhuǎn)矩增加。量，使高額時輸出的轉(zhuǎn)矩增加。1 1、對驅(qū)動電源的基本要求、對驅(qū)動電源的基本要求1）

26、驅(qū)動電源的相數(shù)、通電方式和電壓、電流都）驅(qū)動電源的相數(shù)、通電方式和電壓、電流都 滿足步進電動機的需要；滿足步進電動機的需要；2）要滿足步進電動機的起動頻率和運行頻率的）要滿足步進電動機的起動頻率和運行頻率的要求；要求；3）能最大限度地抑制步進電動機的振蕩；）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；）工作可靠，抗干擾能力強；5）成本低、效率高、安裝和維護方便。）成本低、效率高、安裝和維護方便。2 2、驅(qū)動電源的組成、驅(qū)動電源的組成步進電動機的驅(qū)動電源主要由脈沖發(fā)生器、脈沖步進電動機的驅(qū)動電源主要由脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和脈沖放大器（也稱功率放大器）三部分分配器和脈沖放大器（

27、也稱功率放大器）三部分組成。組成。脈沖分配器根據(jù)指令把脈沖按一定的邏輯關系加到各脈沖分配器根據(jù)指令把脈沖按一定的邏輯關系加到各相繞組的功率放大器上，使電機按一定方式運行，實相繞組的功率放大器上，使電機按一定方式運行，實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)和定位。現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)和定位。傳統(tǒng)電路：門電路傳統(tǒng)電路：門電路+ +觸發(fā)器組成觸發(fā)器組成集成電路：如集成電路：如CH205(CMOS)CH205(CMOS)三相六拍脈沖分配器三相六拍脈沖分配器脈沖發(fā)生器是一個脈沖頻率在幾赫到幾十千赫內(nèi)可連脈沖發(fā)生器是一個脈沖頻率在幾赫到幾十千赫內(nèi)可連續(xù)變化的脈沖信號發(fā)生器。最常見的有多諧振蕩器和續(xù)變化的脈沖信號發(fā)生器。最常見的有多諧振蕩器和

28、單結(jié)晶體管構成的張弛振蕩器兩種。單結(jié)晶體管構成的張弛振蕩器兩種。步進電動機單電壓驅(qū)動電路步進電動機單電壓驅(qū)動電路續(xù)流電續(xù)流電路路R R1 1、R R2 2：限流、減小通：限流、減小通電和續(xù)流的時間常數(shù)電和續(xù)流的時間常數(shù)線路簡單線路簡單功放元件少功放元件少成本低成本低效率低效率低特特 點點2 2、雙電壓驅(qū)動、雙電壓驅(qū)動：在低頻段使用較低的電壓驅(qū)動，在高頻：在低頻段使用較低的電壓驅(qū)動，在高頻段使用較高的電壓驅(qū)動段使用較高的電壓驅(qū)動低頻：給低頻：給T1T1低電平低電平關關斷。繞組由低電壓斷。繞組由低電壓V VL L供供電，控制脈沖通過電，控制脈沖通過T T2 2使使繞組得到低壓脈沖。繞組得到低壓脈沖

29、。高頻：給高頻：給T1T1高電平高電平導導通。通。D2D2反向截止，切斷反向截止，切斷低電壓電源低電壓電源V VL L，電動機，電動機繞組由高電壓繞組由高電壓V VH H供電、供電、控制脈沖通過控制脈沖通過T2T2，使繞，使繞組得到高壓脈沖。組得到高壓脈沖。保證了低頻段仍保證了低頻段仍然只有單電壓驅(qū)然只有單電壓驅(qū)動的特點。在高動的特點。在高頻段具有良好的頻段具有良好的高頻性能，但仍高頻性能，但仍沒擺脫單電壓驅(qū)沒擺脫單電壓驅(qū)動的弱點，限流動的弱點，限流電阻仍然會產(chǎn)生電阻仍然會產(chǎn)生損耗和發(fā)熱。損耗和發(fā)熱。高低壓驅(qū)動原理高低壓驅(qū)動原理2)2)高低壓法高低壓法：不論電動機工作頻率如何，在繞組通電：不論

30、電動機工作頻率如何，在繞組通電開始用高壓供電，使繞組中電流迅速上升，而后用低開始用高壓供電，使繞組中電流迅速上升，而后用低壓來維持繞組中的電流。壓來維持繞組中的電流。高低壓開關脈沖同時高低壓開關脈沖同時起步，高壓脈沖很窄起步，高壓脈沖很窄開始時開始時T T1 1T T2 2同時導通同時導通, , V VH H供電，供電，i i迅速上升迅速上升V VH H很快切斷很快切斷，V VL L繼續(xù)供繼續(xù)供電。電。 高低壓驅(qū)動法是目前普遍應用的一種方法。由于高低壓驅(qū)動法是目前普遍應用的一種方法。由于這種驅(qū)動在低頻時電流有較大的上沖，電動機低頻這種驅(qū)動在低頻時電流有較大的上沖，電動機低頻噪聲較大。噪聲較大。

31、高低壓驅(qū)動原理高低壓驅(qū)動原理 斬波驅(qū)動電路斬波驅(qū)動電路R R 采樣電阻采樣電阻, ,阻值很小阻值很小比較器輸入：比較器輸入：“-”-”端端-采樣電壓采樣電壓 “ “+”+”端端給定電壓給定電壓與門與門3 3、 斬波驅(qū)動斬波驅(qū)動u ui i為低電平時為低電平時TlTl和和T2T2兩個開關管均截兩個開關管均截止；止；u ui i為高電平時，為高電平時，T1T1和和T2T2兩個開關管均兩個開關管均導通，電源向繞組導通，電源向繞組供電。供電。由于繞組電感的作用，由于繞組電感的作用，R R上的電壓逐漸升高，當超過給上的電壓逐漸升高，當超過給定電壓定電壓u uc c時時, ,比較器輸出低電平比較器輸出低電

32、平與門輸出低電平與門輸出低電平 T1 T1截止截止電源被切斷；當取樣電阻上的電壓小于電源被切斷；當取樣電阻上的電壓小于u uc c時，比時，比較器輸出高電平，與門也輸出高電平，較器輸出高電平，與門也輸出高電平，T1T1又導通，電源又導通，電源又開始向繞組供電。又開始向繞組供電。T2T2每導通一次，每導通一次，TlTl導通多導通多次，繞組電流為鋸齒波。次，繞組電流為鋸齒波。在在T2T2導通期間，電源是脈導通期間，電源是脈沖式供電的，所以提高了沖式供電的，所以提高了電源效率，并且能有效地電源效率，并且能有效地抑制共振。由于無需外接抑制共振。由于無需外接限流電阻所以提高了高頻限流電阻所以提高了高頻性

33、能，但是，由于電流波性能，但是，由于電流波形為鋸齒形，將會產(chǎn)生較形為鋸齒形，將會產(chǎn)生較大的電磁噪聲。大的電磁噪聲。斬波供電只需單電源。斬波供電只需單電源。斬波供電的電流波形斬波供電的電流波形1 1） 電磁力的大小與繞組通電電流的大小有關。電磁力的大小與繞組通電電流的大小有關。2 2） 當通電相的電流并不馬上升到位，而斷電相的電當通電相的電流并不馬上升到位，而斷電相的電流也非立即降為流也非立即降為0 0時，它們所產(chǎn)生的磁場合力，會使轉(zhuǎn)時，它們所產(chǎn)生的磁場合力，會使轉(zhuǎn)子有一個新的平衡位置，這個新的平衡位置是在原來子有一個新的平衡位置，這個新的平衡位置是在原來的步距角范圍內(nèi)。的步距角范圍內(nèi)。3 3）

34、 如果繞組中電流的波形不再是一個近似方波，而如果繞組中電流的波形不再是一個近似方波，而是一個分成是一個分成 N N個階級的近似階梯波，則電流每升或降個階級的近似階梯波，則電流每升或降一個階級時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一小步。當轉(zhuǎn)子按照這樣的規(guī)一個階級時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一小步。當轉(zhuǎn)子按照這樣的規(guī)律轉(zhuǎn)過律轉(zhuǎn)過N N小步時，實際上相當于它轉(zhuǎn)過一個步距角。小步時，實際上相當于它轉(zhuǎn)過一個步距角。4 4）這種將一個步距角細分成若干小步的驅(qū)動方法，就）這種將一個步距角細分成若干小步的驅(qū)動方法，就稱為稱為。例：例：m=3m=3、Zr=40Zr=40、六拍，、六拍， S S=1.5=1.5o o, ,如如4 4細分，細分， S S

35、=0.375=0.375o o。三相六拍三相六拍4 4細分細分1、在時鐘在時鐘CLK信號上升沿指揮下，信號上升沿指揮下，D型型觸發(fā)器能把觸發(fā)器能把D端的數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷敵龆?。輸端的?shù)據(jù)傳輸?shù)捷敵龆恕］斎攵藷o入端無CLK信號時，信號時，D端信號對觸發(fā)器不端信號對觸發(fā)器不起作用。起作用。2 2、觸發(fā)器做成、觸發(fā)器做成IC產(chǎn)品時，其輸入端還增產(chǎn)品時，其輸入端還增加有置加有置“0”端端(CLR)(CLR)或置或置“1”端。它們端。它們不受不受CLKCLK和和D D信號的影響，具有最高的優(yōu)先信號的影響，具有最高的優(yōu)先級。級。恒頻脈寬調(diào)制細分驅(qū)動電路恒頻脈寬調(diào)制細分驅(qū)動電路單片機為控制主體單片機為控制主體:

36、: 1)1)通過定時器通過定時器T0T0輸出輸出20kHz20kHz方波，方波，送送D D觸發(fā)器，作為恒頻信號。觸發(fā)器，作為恒頻信號。2)2)輸出階梯電壓的數(shù)字信輸出階梯電壓的數(shù)字信號到號到D/AD/A轉(zhuǎn)換器，作為控制信號轉(zhuǎn)換器，作為控制信號. .階梯電壓的每一次變階梯電壓的每一次變化，都使轉(zhuǎn)子走一細分步?；际罐D(zhuǎn)子走一細分步。D D觸發(fā)器觸發(fā)器: : D=“1”, CLRD=“1”, CLR置置零零R2:R2:采樣電阻采樣電阻, ,壓壓降輸入比較器降輸入比較器“- -”當采樣電壓大于當采樣電壓大于uaua時、比較器輸出低電平，使時、比較器輸出低電平，使D D觸發(fā)器輸出觸發(fā)器輸出u ub b為為低電平，低電平，TlTl、T2T2截止，繞組的電流下降。當截止，繞組的電流下降。當R2R2上的壓降小于上的壓降小于uaua時，比較器輸出高電平，使時，比較器輸出高電平，使D D 觸發(fā)器輸出高電平，觸發(fā)器輸出高電平，T1T1、T2T