自動控制元件-4.5.同步電機、步進電機課件

自動控制元件

宋宇第四章小功率同步電動機

4.1同步電動機的構(gòu)造和分類同步：電機的轉(zhuǎn)速和磁場的轉(zhuǎn)速相同，或與電源頻率成嚴格比例關系。結(jié)構(gòu)：定子和轉(zhuǎn)子。定子：與異步電動機相同。作用是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。定子繞組：三相、兩相和單相。三相電機使用三相電源，產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。兩相繞組電機采用電容移相的辦法（實質(zhì)接的單相電）。單相電機指罩極電機。電源：三相電機和單相電機。轉(zhuǎn)子材料：永磁式，磁阻式（反應式）和磁滯式。4.2永磁式同步電動機一、結(jié)構(gòu)特點：轉(zhuǎn)子是永磁磁極?？梢远嗉?。二、工作原理磁極間的作用力+旋轉(zhuǎn)磁場。定子電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，磁極間同性相斥、異性相吸，旋轉(zhuǎn)磁場帶動永磁轉(zhuǎn)子共同轉(zhuǎn)動。同步轉(zhuǎn)速為r/min

4.2永磁式同步電動機三、電磁轉(zhuǎn)矩的解析表達式設轉(zhuǎn)子和定子磁極軸線的夾角（電角）為，圓柱表面磁場間的作用力矩是周期函數(shù)?；ǚ至侩姍C的基本電磁轉(zhuǎn)矩：失調(diào)角或功率角四、同步運行轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與磁場相同。隨負載轉(zhuǎn)矩變化。當失調(diào)角為90°時轉(zhuǎn)矩最大。4.2永磁式同步電動機因而，永磁式同步電機的電磁轉(zhuǎn)矩宇失調(diào)角有關。若負載轉(zhuǎn)矩增大，電機失調(diào)角自動增加，以便產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩來平衡負載轉(zhuǎn)矩，并保持轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動；若負載轉(zhuǎn)矩變小，失調(diào)角也變小，但電機始終保持在同步轉(zhuǎn)速。同步電機的負載轉(zhuǎn)矩不可大于最大同步轉(zhuǎn)矩。思考：某一永磁式同步電機，同步轉(zhuǎn)速1500r/min。最大輸出電磁轉(zhuǎn)矩為1Nm,問當負載轉(zhuǎn)矩為0.5Nm時，電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速？轉(zhuǎn)子失調(diào)角？4.2永磁式同步電動機五、起動與異步運行

純粹的同步電機起動難。旋轉(zhuǎn)磁場無慣性，轉(zhuǎn)子有慣性。轉(zhuǎn)矩時正、時負，平均為零。影響起動的因素：轉(zhuǎn)動慣量與轉(zhuǎn)速差大。解決辦法：加鼠籠啟動繞組。起動與異步時，鼠籠繞組有電流和異步轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速，磁極力拉入同步。鼠籠繞組：短時工作。4.2永磁式同步電動機六、機械特性

為最大同步轉(zhuǎn)矩，又稱為失步轉(zhuǎn)矩。為名義牽入轉(zhuǎn)矩(s=0.05)鼠籠繞組電阻小，機械特性硬，避免S=0.05處Tin太小。七、優(yōu)、缺點功率較大，功率因數(shù)和效率最高，綜合性能指標較好。起動電流倍數(shù)較大，且永磁體價格貴，結(jié)構(gòu)復雜，所以整機成本較高。4.2永磁式同步電動機思考：

永磁異步電動機的鼠籠繞組有何作用？為何啟動時（或轉(zhuǎn)差率較大時）鼠籠繞組產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而永磁鐵不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩？為何同步運行時永磁鐵產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩而鼠籠繞組不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩？4.3磁阻同步電動機變磁阻或反應式同步電動機一、結(jié)構(gòu)特點軟磁鋼片加非磁性金屬片。轉(zhuǎn)子不同的方向磁阻不同。磁阻隨轉(zhuǎn)角變化。凸極（導磁）。二、工作原理磁力線收縮力，使磁阻最小、磁力線最短。r/min啟動困難，需要啟動繞組。4.3磁阻同步電動機三、電磁轉(zhuǎn)矩T是θ的周期函數(shù)，周期是，基波θ=45°轉(zhuǎn)矩取得最大值。轉(zhuǎn)矩，由磁阻不同產(chǎn)生。分別為交軸磁阻和直軸磁阻磁阻同步電動機原理：旋轉(zhuǎn)磁場+磁阻轉(zhuǎn)矩4.3磁阻同步電動機四、磁阻轉(zhuǎn)矩與基本電磁轉(zhuǎn)矩磁化形成的臨時磁極與固有磁極，周期不同。永磁同步電機中有兩種轉(zhuǎn)矩，磁阻轉(zhuǎn)矩很小，稱為附加轉(zhuǎn)矩。直流有槽電機存在磁阻轉(zhuǎn)矩，引起轉(zhuǎn)矩波動。五、電機的起動：起動難，用鼠籠繞組。六、機械特性同永磁同步電機。七、優(yōu)缺點：結(jié)構(gòu)簡單，價格低，功率因數(shù)和效率低。4.4磁滯同步電動機一、磁滯電動機的結(jié)構(gòu)定子結(jié)構(gòu)與普通交流電機相同；轉(zhuǎn)子：隱極式結(jié)構(gòu),沒有繞組，在外圓周處是一個環(huán)狀的有效層，由具有磁滯特性的硬磁材料制成的，但預先不磁化，無固定磁極。環(huán)狀結(jié)構(gòu)可以節(jié)省硬磁材料。有效層內(nèi)用非磁性材料或軟磁材料制成（如黃銅、鋁合金等），稱襯套。4.4磁滯同步電動機二、旋轉(zhuǎn)磁場中磁滯材料的磁滯特性（B變化滯后于H變化）設轉(zhuǎn)子由磁滯材料制成，定子磁場是外磁場，可以旋轉(zhuǎn)。設轉(zhuǎn)子不動，外磁場轉(zhuǎn)動，兩磁場軸線夾角為。軟磁材料：。磁滯材料：。外磁場轉(zhuǎn)角小時轉(zhuǎn)子磁場軸線不變，轉(zhuǎn)角大時轉(zhuǎn)子磁場軸線轉(zhuǎn)動。磁滯角（失調(diào)角）：，最大磁滯角：。轉(zhuǎn)子磁場軸線滯后于定子磁場軸線變化，由磁滯材料特性決定三、磁滯轉(zhuǎn)矩最大磁滯轉(zhuǎn)矩4.4磁滯同步電動機四、起動過程定子繞組通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，。相當于轉(zhuǎn)子不動，磁場以轉(zhuǎn)動。磁場夾角反復磁化，有磁滯損耗；五、同步運行六、異步運行磁滯轉(zhuǎn)矩：渦流轉(zhuǎn)矩：總轉(zhuǎn)矩七、機械特性4.4磁滯同步電動機八、異步運行時的熱損耗產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗。磁滯材料磁滯損耗大，發(fā)熱嚴重，不宜長期異步運行。十、優(yōu)缺點優(yōu)點1）轉(zhuǎn)子無起動繞組，結(jié)構(gòu)簡單。2）堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大。3）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對稱，動平衡好，轉(zhuǎn)速可以很高。缺點1）功率因數(shù)低。2）磁滯材料貴。4.5電磁減速式同步電動機又稱低速同步電動機，每分鐘幾十轉(zhuǎn)到數(shù)百轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速與電源頻率成比例，可歸入同步電動機。反應式，定、轉(zhuǎn)子鐵心上都有均布的開口型齒槽。定子槽中放有兩相或三相繞組，轉(zhuǎn)子沒有繞組。每個極距下，轉(zhuǎn)子齒數(shù)比定子齒數(shù)多1。設定子、轉(zhuǎn)子齒數(shù)分別為、，極對數(shù)為p，則有4.5電磁減速式同步電動機兩級電機，定子齒數(shù)=16，則轉(zhuǎn)子齒數(shù)＝18。定子磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之比為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為r/min

結(jié)構(gòu)簡單，因此制造方便，成本較低。轉(zhuǎn)速越低，定、轉(zhuǎn)子上的齒數(shù)也越多。第五章步進電動機及其控制

5.1概述名稱：轉(zhuǎn)角受脈沖信號控制，一個脈沖前進一步。電機輸入脈沖電流，脈沖電機。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動與磁場一致，同步電機。將數(shù)字式電脈沖信號轉(zhuǎn)化為機械位移的執(zhí)行元件；應用特點：廣泛用于開環(huán)位置控制控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試容易。應用場所：數(shù)控機床，計算機外圍設備，鐘表，數(shù)字控制系統(tǒng)等。類型：磁阻式，永磁式，混合式（感應子式）。5.1概述優(yōu)點：1、直接數(shù)字控制，控制簡單；2、開環(huán)位置控制精度高，速度與脈沖平率嚴格正比3、自鎖能力；4、無換向裝置，機械結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用；缺點:效率低；功率?。慌潋?qū)動器；分辨力不靈活。舉例：數(shù)控機床5.2磁阻式步進電動機的工作原理一、磁阻式步進電動機的結(jié)構(gòu)特點定、轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成，定子上有控制繞組。基于磁阻變化而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。1．單段式定子鐵心內(nèi)圓上分布著若干個大齒——磁極。每個磁極上都裝有控制繞組,接成m相。每相有兩個繞組，位于一條直徑兩端。5.2磁阻式步進電動機的工作原理定子磁極數(shù)定子磁極有均布的小齒。轉(zhuǎn)子沒有繞組，鐵心外圓上也有小齒，與定子小齒完全相同。齒距角：兩齒中心線的夾角若某一磁極下定、轉(zhuǎn)子的齒對齊，則同一相的另一個磁極下的定、轉(zhuǎn)子的小齒也是對齊的，相鄰極下的定、轉(zhuǎn)子齒之間錯開轉(zhuǎn)子齒距的。

定子相鄰磁極間的轉(zhuǎn)子齒數(shù)為非整數(shù)，與整數(shù)相差1\m5.2磁阻式步進電動機的工作原理2．多段式

多段式又稱為軸向分相式。按其磁路的特點不同，又可分為軸向磁路多段式和徑向磁路多段式兩種。多段式結(jié)構(gòu)復雜，轉(zhuǎn)子可細長，減小慣量。5.2磁阻式步進電動機的工作原理二、工作原理1.簡述旋轉(zhuǎn)磁場+磁阻轉(zhuǎn)矩與磁阻同步電機有區(qū)別各相繞組輪流通電，形成步進式旋轉(zhuǎn)磁場。磁阻轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置。2.無小齒的三相磁阻式步進電動機周期性通電。通電一周期，轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子的一個齒矩角。磁場順轉(zhuǎn)。5.2磁阻式步進電動機的工作原理改變通電順序，磁場和轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)角大小不變。結(jié)論步進電動機各相繞組輪流通電，形成步進式旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)動方向取決于通電的順序。為了使電機連續(xù)轉(zhuǎn)動，通電狀態(tài)的變化應當是周期性的。通電狀態(tài)完成一個周期，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子的一個齒距角。轉(zhuǎn)角大小取決于通電狀態(tài)變化次數(shù)（輸入脈沖個數(shù)），轉(zhuǎn)速取決于通斷電的頻率（脈沖頻率）。一個磁極下定轉(zhuǎn)子齒對齊，相鄰磁極下齒錯開，電機才能運動。5.2磁阻式步進電動機的工作原理3.拍數(shù)與步矩角各繞組通電的不同狀態(tài)數(shù)稱為拍數(shù)，記為N。如上述電機，拍數(shù)為3。在通、斷電的一個周期內(nèi)，通電狀態(tài)改變的次數(shù)也就是拍數(shù)，改變一次通電狀態(tài)也稱為1拍。改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角位移稱為步距角，即每一拍(步)所轉(zhuǎn)過的角度，記為。

每個通電周期共N拍，走N步，轉(zhuǎn)過一個齒距角，故有上述電機步矩角太大，應增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)。5.2磁阻式步進電動機的工作原理4.有小齒的四相磁阻式步進電動機定子8極4相繞組。極距包含的齒數(shù)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)1拍一周期轉(zhuǎn)一個齒距角4相單4拍，單：一個繞組通電。缺點：瞬間轉(zhuǎn)矩為零。5.2磁阻式步進電動機的工作原理5.2磁阻式步進電動機的工作原理兩相通電4相雙4拍雙：兩相1拍：一周期一個齒距角。與單拍運行相同。4相8拍5.2磁阻式步進電動機的工作原理A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A5.2磁阻式步進電動機的工作原理5.步進電動機的分配方式及轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速

步進電機通、斷電的轉(zhuǎn)換規(guī)律稱分配方式。單拍制：拍數(shù)等于相數(shù)，如四相單四拍、四相雙四拍雙拍制：拍數(shù)等于相數(shù)的2倍，如四相八拍、三相六拍；m—相數(shù)

N大，步距角小。k=1單拍制，k=2雙拍制細分電路k=4，8，16，32。用脈沖信號進行控制，一個脈沖改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)過一個步距角，轉(zhuǎn)速步進電機轉(zhuǎn)角由脈沖個數(shù)決定，轉(zhuǎn)速由脈沖頻率決定。一臺步進電動機可有兩個步距角，如5.3磁阻式步進電動機的靜態(tài)特性當控制脈沖不斷輸入，各相按照一定順序輪流通電時，步進電機就一步一步的轉(zhuǎn)動。當控制脈沖停止，并且最后一拍通電的定子控制繞組仍通入恒定不變的電流時，通電繞組產(chǎn)生的電磁力將使得轉(zhuǎn)子固定不動，該狀態(tài)為步進電機的靜態(tài)。在靜態(tài)時，若有外力矩存在，電磁力將力圖把轉(zhuǎn)子拉回原位置，為靜態(tài)自鎖能力。5.3磁阻式步進電動機的靜態(tài)特性步進電機繞組通電狀態(tài)保持不變而轉(zhuǎn)子靜止的狀態(tài)稱為靜態(tài)。靜態(tài)時所具有的性能稱為靜態(tài)特性，主要指轉(zhuǎn)矩和偏轉(zhuǎn)角的關系。在步進電動機中定義電角等于轉(zhuǎn)子齒數(shù)乘以機械角，即用電角表示齒距角用電角表示的步距角為rad

以電角表示的齒距角和步距角與齒數(shù)無關。5.3磁阻式步進電動機的靜態(tài)特性一、單相通電定、轉(zhuǎn)子齒軸線夾角（電角）為偏轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)矩是偏轉(zhuǎn)角的周期函數(shù)，周期為2πrad（電角）。=0的位置是穩(wěn)定平衡位置，=π是不穩(wěn)定平衡位置。轉(zhuǎn)矩5.3磁阻式步進電動機的靜態(tài)特性365.3磁阻式步進電動機的靜態(tài)特性37

平衡位置電磁轉(zhuǎn)矩為零，靜止不動。單相通電時的穩(wěn)定平衡位置:

通電極下齒與齒對齊。不穩(wěn)定平衡位置：齒與槽對齊。5.3磁阻式步進電動機的靜態(tài)特性失調(diào)角:轉(zhuǎn)子偏離穩(wěn)定平衡位置的角度，等于實際角位移減去穩(wěn)定平衡點的角位移。前述的轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角也就是失調(diào)角。靜轉(zhuǎn)矩:步進電機靜止且繞組通以直流電時，由失調(diào)角引起的轉(zhuǎn)矩。矩角特性:靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關系。最大靜轉(zhuǎn)矩，與繞組電流有關。靜穩(wěn)定區(qū)：轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子回到原平衡位置。5.3磁阻式步進電動機的靜態(tài)特性靜穩(wěn)定區(qū)：轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子回到原平衡位置的區(qū)域。轉(zhuǎn)子失調(diào)角處于靜穩(wěn)定區(qū)內(nèi)時，在外力矩撤銷后，在電磁轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)子會回到初始平衡位置；轉(zhuǎn)子失調(diào)角超出這個區(qū)域，外轉(zhuǎn)矩消失后，轉(zhuǎn)子將趨向于前一個或后一個穩(wěn)定平衡位置，而不能再回到初始平衡位置。5.3磁阻式步進電動機的靜態(tài)特性多相通電時的矩角特性三相磁阻式步進電動機繞組通電時的矩角特性A相通電A、B相同時通電B相通電C相通電5.3磁阻式步進電動機的靜態(tài)特性三相磁阻式步進電動機的矩角特性曲線簇5.3磁阻式步進電動機的靜態(tài)特性三相磁阻式步進電動機的多相控制A相通電A、B相通電5.3磁阻式步進電動機的靜態(tài)特性多相通電時的矩角特性四相磁阻式步進電動機繞組通電時的矩角特性A相通電D相通電B相通電C相通電5.3磁阻式步進電動機的靜態(tài)特性四相步進電動機的矩角特性曲線簇5.3磁阻式步進電動機的靜態(tài)特性多相通電時的矩角特性A、B相通電D、A相通電B、C相通電C、D相通電四相雙四拍的矩角特性5.3磁阻式步進電動機的靜態(tài)特性四相雙四拍及四相單雙八拍的矩角特性曲線簇n相通電時的矩角特性1相通電n相通電2相通電3相通電...依次相差一個步距角n相通電時的矩角特性按疊加原理，n(n<m)相同時通電時的靜轉(zhuǎn)矩5.3磁阻式步進電動機的靜態(tài)特性二、多相通電兩相或兩相以上的控制繞組同時通電。利用疊加原理可得多相通電時的矩角特性：利用三角函數(shù)可推得三相電機四相電機五相電機四相以上，多相通電能提高最大靜轉(zhuǎn)矩。上次課總結(jié)步進電機的結(jié)構(gòu)、基本工作原理齒距角、步距角的概念；步進電機角位移、角速度的計算方法；“拍”的概念，及步進電機的分配方式；上次課總結(jié)步進電機繞組通電狀態(tài)保持不變而轉(zhuǎn)子靜止的狀態(tài)稱為靜態(tài)。靜態(tài)時所具有的性能稱為靜態(tài)特性，主要指轉(zhuǎn)矩和偏轉(zhuǎn)角的關系。在步進電動機中定義電角等于轉(zhuǎn)子齒數(shù)乘以機械角，即用電角表示齒距角用電角表示的步距角為rad

以電角表示的齒距角和步距角與齒數(shù)無關。上次課總結(jié)上次課總結(jié)

平衡位置電磁轉(zhuǎn)矩為零，靜止不動。單相通電時的穩(wěn)定平衡位置:

通電極下齒與齒對齊。不穩(wěn)定平衡位置：齒與槽對齊。上次課總結(jié)失調(diào)角:轉(zhuǎn)子偏離穩(wěn)定平衡位置的角度靜轉(zhuǎn)矩:步進電機靜止且繞組通以直流電時，由失調(diào)角引起的轉(zhuǎn)矩。矩角特性:靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關系。最大靜轉(zhuǎn)矩，與繞組電流有關。靜穩(wěn)定區(qū)：轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子回到原平衡位置。上次課總結(jié)多相通電時的矩角特性：各相繞組單獨通電時矩角特性的疊加。5.4磁阻式步進電動機的運行特性步進電機的旋轉(zhuǎn)磁場不是均勻的，而是步進形式；步進電機的運轉(zhuǎn)總是在電氣和機械的過渡過程中進行，轉(zhuǎn)子運動或多或少的具有過渡過程的振蕩性質(zhì)；步進電機的動特性將直接影響到系統(tǒng)的快速響應與工作的可靠性。5.4磁阻式步進電動機的運行特性一、單步運行狀態(tài)繞組通電持續(xù)時間長，持續(xù)時間大于步進電機的機電過渡時間，轉(zhuǎn)子每拍從靜止開始轉(zhuǎn)動。1.單步運行A相穩(wěn)定平衡位置為零位。1）無反抗性負載阻轉(zhuǎn)矩情況。每步轉(zhuǎn)一個步矩角。5.4磁阻式步進電動機的運行特性2)恒定負載阻轉(zhuǎn)矩且是相鄰矩角曲線交點對應的電磁轉(zhuǎn)矩。陰影部分表示在運行過程中電磁轉(zhuǎn)矩中減去了負載轉(zhuǎn)矩后，克服轉(zhuǎn)子加速運行的加速轉(zhuǎn)矩。5.4磁阻式步進電動機的運行特性2.步進電動機的負載能力（起動轉(zhuǎn)矩）設對應角的電磁轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，電機不能向前運動。是電機作單步運行所能帶的極限負載。5.4磁阻式步進電動機的運行特性三相單雙六拍制時盡管最大靜轉(zhuǎn)矩未變，但步距角縮小了\，矩角特性曲線族包絡線的最低點升高了，起動轉(zhuǎn)矩變大。多拍情況下，交高升高，負載能力提高。5.4磁阻式步進電動機的運行特性61單步運行—步進電動機的自由振蕩5.4磁阻式步進電動機的運行特性3.單步運行時轉(zhuǎn)子的運動形式由一個穩(wěn)定平衡位置到下一個穩(wěn)定平衡位置的運動過程，過渡過程，階躍響應。單調(diào)變化和衰減的振蕩。單步運行時的震蕩對步進電機不利，將影響系統(tǒng)精度，帶來振動與噪音。未減弱振蕩，應增大阻尼，加快衰減，電機中往往設置了特殊阻尼器。5.4磁阻式步進電動機的運行特性二、連續(xù)運行狀態(tài)1.幾個概念1）控制頻率步進電機輸入脈沖信號的頻率。2）連續(xù)運行狀態(tài)：繞組通電的持續(xù)時間小于轉(zhuǎn)子運動的機電過渡過程時間。3）失步：步進電動機運動的步數(shù)與輸入脈沖數(shù)不相等。丟步：步數(shù)少于脈沖數(shù)。發(fā)生在加速時。越步：步數(shù)多于脈沖數(shù)。發(fā)生在減速時。對步進電機的基本要求：不失步。5.4磁阻式步進電動機的運行特性多相通電—靜穩(wěn)定區(qū)和動穩(wěn)定區(qū)靜穩(wěn)定區(qū)動穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)定裕度5.4磁阻式步進電動機的運行特性動穩(wěn)定區(qū)如果在第n相控制繞組通電狀態(tài)換接為第n+1相控制繞組通電狀態(tài)瞬間，轉(zhuǎn)子位置只要在這個區(qū)間內(nèi)，它就能轉(zhuǎn)向新的穩(wěn)定平衡點O1，且不越過不穩(wěn)定平衡點。

穩(wěn)定裕度將矩角特性曲線n的穩(wěn)定平衡點O離開(n+1)相矩角特性曲線的不穩(wěn)定平衡點的距離，即的范圍。5.4磁阻式步進電動機的運行特性2.步進電動機的起動過程和起動頻率三相電機，負載轉(zhuǎn)矩為零但有粘滯阻尼轉(zhuǎn)矩。第一個脈沖，A斷B通。第二個脈沖，B斷C通。1)轉(zhuǎn)子位移小，在點，電磁轉(zhuǎn)矩為負值，第三個脈沖到時可能向運動，不能起動。2)轉(zhuǎn)子位移大，在點，轉(zhuǎn)矩為正，能起動。5.4磁阻式步進電動機的運行特性步進電動機能否起動，要看脈沖到的時刻，轉(zhuǎn)子是否處于對應的穩(wěn)定區(qū)。步進電動機能否起動與控制頻率有關，與負載轉(zhuǎn)矩和負載的轉(zhuǎn)動慣量有關。起動頻率：步進電動機能無失步起動和停轉(zhuǎn)的最高頻率。起動矩頻特性：其他條件不變的情況下，起動頻率與負載轉(zhuǎn)矩的關系。起動慣頻特性：其他條件不變的情況下，起動頻率與負載轉(zhuǎn)動慣量的關系。5.4磁阻式步進電動機的運行特性3.運行頻率、動態(tài)轉(zhuǎn)矩與運行矩頻特性運行頻率：步進電動機在負載條件下能無失步運行的最高控制頻率。動態(tài)轉(zhuǎn)矩：步進電動機轉(zhuǎn)動時所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，步進電動機連續(xù)運行時的輸出轉(zhuǎn)矩。運行矩頻特性：步進電動機最大輸出轉(zhuǎn)矩與運行頻率f的關系。動態(tài)轉(zhuǎn)矩從起動轉(zhuǎn)矩開始，隨控制頻率的升高而減小。5.4磁阻式步進電動機的運行特性4.動態(tài)轉(zhuǎn)矩下降的原因及提高轉(zhuǎn)矩的措施物理角度的猜測：轉(zhuǎn)矩磁場與電流，電流達不到規(guī)定值。電感的影響，控制頻率升高后，電流達不到規(guī)定值。1）增大電阻，減小時間常數(shù)；2）雙電源5.4磁阻式步進電動機的運行特性5.4磁阻式步進電動機的運行特性5.不同控制頻率下的運行1）極低頻下運行控制脈沖的周期足夠長，新脈沖到來時，轉(zhuǎn)子處于平衡位置，電機總是從不動的狀態(tài)開始運行，即單步運行。不會出現(xiàn)丟步、越步現(xiàn)象5.4磁阻式步進電動機的運行特性2）低頻運行，低頻丟步和低頻共振控制頻率增加，在轉(zhuǎn)子振蕩還未衰減完時，下一個脈沖就來到。轉(zhuǎn)子的運行情況與脈沖到來時轉(zhuǎn)子的位置有關，和控制頻率有關。5.4磁阻式步進電動機的運行特性當控制脈沖的頻率等于或接近步進電動機振蕩頻率的1/k倍（k=1,2,3…），電機可能出現(xiàn)強烈振動甚至失步和無法工作。三相步進電機的低頻丟步低頻共振現(xiàn)象。每步超調(diào)大。應避免運行在這類頻率。減弱低頻共振：增加阻尼。其余情況可正常運行。5.4磁阻式步進電動機的運行特性5.4磁阻式步進電動機的運行特性3）連續(xù)脈沖作用下的平穩(wěn)運行當控制頻率接近或高于電機振蕩頻率的2倍，電機的運行比較平穩(wěn)。即控制脈沖的周期小于電機振蕩周期的一半時，在電機前一步震蕩的最大值附近或尚未達到峰值前，下一個脈沖就到來了，因而轉(zhuǎn)矩方向不變，電機平穩(wěn)運行。5.4磁阻式步進電動機的運行特性當電機啟動后，可按照一定的速度提高頻率，電機轉(zhuǎn)速也隨之增加，電機能正常運行的最高頻率為運行頻率?？蛇_10000hz以上。提高頻率要考慮一下兩點：頻率增加，由于繞組電感作用，電流下降，動態(tài)轉(zhuǎn)矩下降，另外，頻率高，轉(zhuǎn)子慣量影響使得跟不上磁場步進旋轉(zhuǎn)速度，可能會丟步。為提高最高頻率，一方面減小時間常數(shù)，提高動態(tài)轉(zhuǎn)矩，另一方面減小轉(zhuǎn)子慣量。5.5永磁式步進電動機5.5.1永磁式步進電動機1.結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子，永磁體，磁極數(shù)與每相控制繞組形成的極數(shù)相等。轉(zhuǎn)子磁極軸線夾角定子鐵心，軟磁鋼片疊壓。定子上有個磁極和線圈。m相繞組，每相有個線圈和磁極。定子磁極軸線夾角5.5永磁式步進電動機兩相電機

定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極對齊時，相鄰定子磁極軸線和轉(zhuǎn)子磁極軸線的夾角就是5.5永磁式步進電動機2.工作原理每相繞組都有正、反兩種通電狀態(tài)，共有N＝2m個通電狀態(tài)（拍數(shù)N）。兩相電機有4種通電狀態(tài)。當A相通電，定、轉(zhuǎn)子磁極對齊，B相極下定、轉(zhuǎn)子磁極軸線夾角為。當A斷B通，B相極下定、轉(zhuǎn)子磁極對齊時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過定子的一個極距角。故轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)角（步距角）為一個通電循環(huán)應走2m步，轉(zhuǎn)動角度為轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子的一對磁極的距離。一個通電循環(huán)有4步，轉(zhuǎn)動180°。5.5永磁式步進電動機永磁式步進電動機的特點是：（1）步距角大，例如15o、22.5o、45o、90o等；（2）起動頻率低，通常為幾十至幾百Hz（但轉(zhuǎn)速不一定低）；（3）由于用永磁轉(zhuǎn)子，控制功率??；（4）斷電時有定位轉(zhuǎn)矩；（5）由于用永磁轉(zhuǎn)子，阻尼特性較好。上次課總結(jié)步進電動機的運行特性1、單步運行狀態(tài)繞組通電持續(xù)時間長，持續(xù)時間大于步進電機的機電過渡時間，轉(zhuǎn)子每拍從靜止開始轉(zhuǎn)動。2、步進電動機的負載能力（起動轉(zhuǎn)矩）上次課總結(jié)2、步進電動機的負載能力多拍情況下，交高升高，負載能力提高。上次課總結(jié)3.單步運行時轉(zhuǎn)子的運動形式由一個穩(wěn)定平衡位置到下一個穩(wěn)定平衡位置的運動過程，過渡過程，階躍響應。上次課總結(jié)4、連續(xù)運行狀態(tài)繞組通電的持續(xù)時間小于轉(zhuǎn)子運動的機電過渡過程時間。5、步進電動機的起動過程和起動頻率步進電動機能否起動，要看脈沖到的時刻，轉(zhuǎn)子是否處于對應的穩(wěn)定區(qū)。步進電動機能否起動與控制頻率有關，與負載轉(zhuǎn)矩和負載的轉(zhuǎn)動慣量有關。上次課總結(jié)6、丟步控制頻率增加，在轉(zhuǎn)子振蕩還未衰減完時，下一個脈沖就來到。轉(zhuǎn)子運行情況與脈沖到來時轉(zhuǎn)子的位置有關，和控制頻率有關。上次課總結(jié)6、丟步當控制脈沖的頻率等于或接近步進電動機振蕩頻率的1/k倍（k=1,2,3…），電機可能出現(xiàn)強烈振動甚至失步和無法工作。上次課總結(jié)7、連續(xù)脈沖作用下的平穩(wěn)運行當控制頻率接近或高于電機振蕩頻率的2倍，電機的運行比較平穩(wěn)。當電機啟動后，可按照一定的速度提高頻率，電機轉(zhuǎn)速也隨之增加，電機能正常運行的最高頻率為運行頻率?？蛇_10000hz以上。5.6步進電動機的驅(qū)動器

5.6.1引言步進電動機的控制器與驅(qū)動器：把足夠功率和規(guī)定頻率的脈沖電壓（電流）按著選定的順序加給各控制繞組。步進電機必須與控制器和驅(qū)動器配用。5.6.1引言控制器：產(chǎn)生脈沖，過去多由電子電路做成，近年來由單片機產(chǎn)生脈沖，或者在微機上用步進電動機運動控制卡產(chǎn)生脈沖。脈沖分配器：接收控制脈沖信號和方向信號，并按要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相繞組導通或截止的信號。分配器輸出的信號數(shù)目與電機相數(shù)相同。每來一個控制脈沖，分配器輸出信號中至少有一個發(fā)生變化，輸出狀態(tài)就轉(zhuǎn)換一次。方向信號決定輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序還是按反序，從而決定電機的轉(zhuǎn)向。功率放大器：控制信號放大，驅(qū)動電機運動。5.6.2功放輸出級電路直接向繞組提供電壓、電流。一、單電壓功放電路三極管的基極電壓控制導通和截止。，減小電流上升時間，提高動態(tài)轉(zhuǎn)矩。電容兩端電壓不能突變，導通的瞬間C使電阻短路，使繞組電流上升速度加快。晶體管截止時繞組產(chǎn)生的自感電勢使其發(fā)生擊穿。二極管和電阻組成續(xù)流回路。電阻的作用是減少續(xù)流回路的時間常數(shù)。優(yōu)點：線路簡單。缺點：損耗大，效率低。5.6.2功放輸出級電路二、高低壓切換型功放電路一開始兩晶體管導通，二極管截止，高壓電源作用，電流迅速上升。然後截止，導通，低壓供電。繞組斷電時，經(jīng)和向高壓電源泄放電流?？稍诤軐挼念l段內(nèi)保證繞組有較大的平均電流，電磁轉(zhuǎn)矩大，運行矩頻特性好。功率損耗小。電路復雜。5.6.2功放輸出級電路三、斬波恒流功放電路5.6.2功放輸出級電路電源電壓間斷式供電，形成一個個窄脈沖。電機繞組的電流就穩(wěn)定在由給定電平所決定的數(shù)值附近。力矩平穩(wěn)、消除低頻共振現(xiàn)象。5.6.2功放輸出級電路四、升頻升壓功放電路（高頻高壓、低頻低壓）五、細分功放電路對繞組進行切換時，每次改變的電流數(shù)值只是額定電流數(shù)值的一部分。原來1步，現(xiàn)在多步，每步小。如4細分電路，1步是原來的1/4。步距角小。明顯減小電機的振動、噪聲，改善步進電機的低頻性能。5.6.2功放輸出級電路六、H橋功放與多相橋功放（永磁式要求正反電流）可提供正、反向電流。多相橋功放可減少一半晶體管。5相，10個控制端；需要制定通電邏輯順序；以第一拍為為例需a、c，b‘導通習題1、步進電機的主要優(yōu)缺點？優(yōu)點：1、直接數(shù)字控制，控制簡單；2、開環(huán)位置控制精度高，速度與脈沖平率嚴格正比3、自鎖能力（磁阻式）、保持轉(zhuǎn)矩（永磁式）；4、無換向裝置，機械結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用；缺點:功率??；配驅(qū)動器；分辨力不靈活；采用普通驅(qū)動器時效率低；轉(zhuǎn)速不夠平穩(wěn)；習題2如何控制步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角？轉(zhuǎn)速由控制脈沖的頻率決定；轉(zhuǎn)角由控制脈沖的個數(shù)決定；習題何為步進電機的拍、單拍制、雙拍制？電機技術數(shù)據(jù)中若給定步距角為為何含義?各繞組通電的不同狀態(tài)數(shù)稱為拍數(shù)，記為N，各相組的通電狀態(tài)改變一次為1拍，1拍電機旋轉(zhuǎn)1個步距角。單拍制：拍數(shù)等于相數(shù)，如四相單四拍、四相雙四拍雙拍制：拍數(shù)等于相數(shù)的2倍，如四相八拍、三相六拍；雙拍制時的步矩角；單拍制時的步矩角；習題什么叫做步距角？它有幾種表示方法？改變一次繞組的通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角位移稱為步距角，即每一拍(步)所轉(zhuǎn)過的角度；步距角的計算(機械角表示方式):用電角表示的步距角為習題何為步進電機的矩角特性？何為靜穩(wěn)定區(qū)？步進電機靜止且繞組通以直流電時，由失調(diào)角引起的轉(zhuǎn)矩為靜轉(zhuǎn)矩。靜轉(zhuǎn)矩在一定范圍內(nèi)使得失調(diào)角趨于零。矩角特性即為靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關系。靜穩(wěn)定區(qū)：轉(zhuǎn)子靜止時，當撤銷外力矩，轉(zhuǎn)子在靜轉(zhuǎn)矩作用下能夠回到原平衡位