控制電機第八章

控制電機第八章第1頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

圖8.0.1步進電動機的控制特性

步進電動機的角位移量θ或線位移量S與脈沖的個數(shù)k成正比，其轉(zhuǎn)速n或線速度v與脈沖的頻率成正比如圖所示。第2頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

與交直流電動機不同，步進電動機需要專門的電源和驅(qū)動器(包括環(huán)形分配器)，使定子磁極上的控制繞組按順序依次通電，在定子和轉(zhuǎn)子的氣隙空間里形成步進式磁極軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子則在電磁轉(zhuǎn)矩作用下實現(xiàn)步進式旋轉(zhuǎn)。目前，環(huán)形分配器和輸入控制回路的職能都由微處理機來完成，而且分配方式更加靈活，控制功能可以更加復(fù)雜，還可以具有各種判斷功能?？梢哉f，正是由于微型汁算機的應(yīng)用與普及，才使得步進電動機在現(xiàn)代各種控制電機中應(yīng)用最為廣泛。第3頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五第4頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五步進電動機控制系統(tǒng)對步進電動機的基本要求：步進電動機在電脈沖的控制下能迅速起動、正反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)及在很寬的范圍內(nèi)進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。加工精度高，即要求一個脈沖對應(yīng)的位移量小，并要準(zhǔn)確、均勻。這就要求步進電動機步距小，步距精度高，不得丟步或越步。動作快速。即不僅起動、停步、反轉(zhuǎn)快，并能連續(xù)高速運轉(zhuǎn)以提高勞動生產(chǎn)率。輸出轉(zhuǎn)矩大，可直接帶動負(fù)載。第5頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五(1)反應(yīng)式步進電動機又稱磁阻式步進電動機，這是步進電動機中結(jié)構(gòu)最為簡單、應(yīng)用最為廣泛的一種，其結(jié)構(gòu)特點是定子有若干對(至少三對)磁極，其上裝有控制繞組，極靴處帶有均勻分布的小齒．轉(zhuǎn)子則是圓周向上有均布小齒而無任何繞組，圖示出了典型的四相反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)。無論是定子磁極，還是轉(zhuǎn)子鐵心，均由軟磁材料的沖片疊制而成。典型結(jié)構(gòu)和工作原理8.1步進電動機的工作原理第6頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五(2)永磁式步進電動機永磁式步進電動機的特點是轉(zhuǎn)子由一對或多對極的星形永久磁鐵組成，定子上相應(yīng)有二相或多相控制繞組。轉(zhuǎn)子永久磁鐵磁極數(shù)與定子每相控制繞組的極數(shù)對應(yīng)相等，且通常兩者的極寬也相同，典型的結(jié)構(gòu)如圖所示。8.1步進電動機的工作原理典型結(jié)構(gòu)和工作原理第7頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五(3)永磁感應(yīng)式步進電動機這種步進電動機無論是從結(jié)構(gòu)，還是從運行原理來看，都具有反應(yīng)式和永磁式的綜合特點。它的結(jié)構(gòu)形式是定子具有與反應(yīng)式步進電動機類似的結(jié)構(gòu)，即帶小齒的磁極上裝有集中的控制繞組；轉(zhuǎn)子則是由環(huán)形永久磁鐵且兩端罩上二段帽式鐵心構(gòu)成。這兩段鐵心象反應(yīng)式步進電動機那樣，也帶有均布小齒，但兩者裝配位置的特點是從軸向看去彼此相互錯開半個齒距。定子常制成四相八極，典型結(jié)構(gòu)如圖所示。典型結(jié)構(gòu)和工作原理第8頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

按結(jié)構(gòu)分，步進電動機有上述反應(yīng)式、永磁式、永磁感應(yīng)式三種，其中反應(yīng)式步進電動機應(yīng)用最廣，結(jié)構(gòu)也簡單，因此下面僅介紹其工作原理和基本特性。8.1反應(yīng)式步進電動機的工作原理第9頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

如假定電動機理想空載，則當(dāng)A相繞組通電，B和C相不通電時，由于磁力線具有力圖沿磁阻最小路徑閉合的特點，將使轉(zhuǎn)子齒1、3的軸線與定子A相齒(極)的軸線對齊，如圖8.1.2(a)所示。磁通路徑在圖中以虛線表示。之后，切斷A相電源，僅由B相通電時，同樣原因，此時轉(zhuǎn)子在電磁力矩的作用下，逆時針轉(zhuǎn)過一個角度qb使轉(zhuǎn)子齒2、4的軸線與定子B相的齒軸線對齊，如圖8.1.2(b)所示。再換接成僅有C相通電時，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過qb角，使轉(zhuǎn)子齒1、3的軸線和定子C相齒的軸線對齊，如圖8.1.2(c)所示。如此往復(fù)循環(huán)，始終按A→B→C→A順序輪流通電，步進電動機轉(zhuǎn)子就會一步一步地按逆時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動，每步轉(zhuǎn)角均為qb。qb是轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的空間機械角，稱為步距角。定義相鄰兩個轉(zhuǎn)于齒之間的夾角為齒距角，記作qt

。一般情況下，定子有m相繞組，如每次僅一相通電．那么通電一個循環(huán)，由圖8.1.2可見，轉(zhuǎn)子正好轉(zhuǎn)過一個齒距角qt

。因此，在此情況下，步距角qb為8.1.1三相單三拍制通電方式第10頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

圖8.1.2三相單三拍運行典型結(jié)構(gòu)和工作原理

反應(yīng)式(磁阻式)步進電動機的工作原理是利用凸極轉(zhuǎn)子橫軸磁阻與直軸磁阻之差所引起的磁阻轉(zhuǎn)矩（又稱反應(yīng)轉(zhuǎn)矩）而轉(zhuǎn)動的。第11頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五當(dāng)改變?nèi)鄦稳耐姷拇涡驗锳→C→B→A時，從工作原理分析可知．此時步進電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向?qū)⒆優(yōu)橄喾?，即順時針方向。若用Np表示每轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子步數(shù)，則在圖中，定子齒和槽沿定子圓周等距離均勻分布，Zr＝4，m＝3，則有上述按A→B→C→A順序的通電方式，稱為三相單三拍運行，三相指定子三相繞組；“單”是指每次只有一相繞組通電；“拍”是指通電一個循環(huán)，定子繞組改變通電方式的次數(shù)(通電狀態(tài)數(shù))。第12頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

如通電順序為A→AB→B→BC→C→CA→A，即一個通電循環(huán)中定子繞組6次改變通電方式，稱為三相六拍制，對m相繞組稱為2m拍制。分析此時步進電動機的工作可見，當(dāng)A相單獨通電時，轉(zhuǎn)于齒1、3的軸線與定子A相齒軸線對齊，如圖8.1.3(a)所示。當(dāng)A、B相同時通電時，轉(zhuǎn)子的位置應(yīng)使定子A、B兩磁極所形成的兩路磁通，在氣隙所遇到的磁阻達到同程度的最小。這樣定子相鄰兩極A、B與轉(zhuǎn)子齒相互作用的電磁力大小相等，方向相反，使轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)，如圖8.1.3(b)所示。此時轉(zhuǎn)子在空間逆時針轉(zhuǎn)過一個步距角qb(15o)。當(dāng)再換接成B相單獨通電時，在電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子逆時針方向又轉(zhuǎn)過一個步距角qb(15o)，使轉(zhuǎn)子齒2、4的軸線與定子B齒軸線對齊，如圖8.1.3(c)所示。若按BC→C→CA順序繼續(xù)通電，則步進電動機也將按逆時針方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動。如改變通電程序為A→AC→C→CB→B→BA→A，則步進電動機的轉(zhuǎn)向?qū)⒆優(yōu)轫槙r針方向。

8.1.2三相六拍制通電方式第13頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五典型結(jié)構(gòu)和工作原理圖8.1.3三相六拍運行a）A相通電b）A、B通電c）B相通電d）B、C通電第14頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五對圖示的三相四極步進電動機，當(dāng)2m拍制運行時，

，從圖中可看出，與前述的單m拍制運行相比，2m拍制運行時，轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的步距角僅為前者的一半，即步距角即為每轉(zhuǎn)步數(shù)為(不是運行拍數(shù)N，運行拍數(shù)N=m或2m)第15頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

三相雙三柏制運行時，通電方式為AB→BC→CA→AB，或AC→CB→BA→AC。此時，任何時刻都有兩相定子繞組同時通電，通電一個循環(huán)為三拍(m相為m拍)。從上面分析可知，此時每改變一次通電順序，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的步距角qb和每轉(zhuǎn)步數(shù)與單m拍制完全相同。8.1.3三相雙三拍制通電方式三相六拍運行時轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的角度比三相三拍運行時要小一半，因此一臺步進電動機采用不同的供電方式，步距角可有二種不同的數(shù)值，如上面這臺三相步進電動機三拍時步距角為300，六拍時為150。第16頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五圖8-88.1.4基本特點

1．步進電動機工作時每相繞組不是恒定地通電，而是通過“環(huán)形分配器”按一定的規(guī)律輪流通電。環(huán)形分配器輸出的各路脈沖電壓信號，經(jīng)過各自的放大器放大后送到步進電動機的各相繞組，使步進電動機一步一步轉(zhuǎn)動。根據(jù)上述的工作原理可以歸納步進電動機的基本特點如下：第17頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

2.步進電動機這種輪流通電的方式稱為“分配方式”。每循環(huán)一次所包含的通電狀態(tài)數(shù)N稱為“狀態(tài)數(shù)”或“拍數(shù)”。

狀態(tài)數(shù)等于相數(shù)的稱為單拍制分配方式。狀態(tài)數(shù)等于相數(shù)的兩倍的稱為雙拍制分配方式。

8.1.4基本特點不管分配方式如何，每循環(huán)一次，控制脈沖Uk的個數(shù)總等于拍數(shù)N，而加在每相繞組上的脈沖電壓（或電流）的個數(shù)卻等于一，因而控制脈沖頻率f是每相脈沖電壓（或電流）頻率f相的N倍，即

f相=f/N第18頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五3.轉(zhuǎn)子相鄰兩個齒間的夾角為：

t=360o/Zr

每輸入一個脈沖電信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角

b=t/N=360o/ZrN（機械角度）

對同一相數(shù)的步進電動機既可采用單拍制（N=m），也可采用雙拍制（N=2m）。采用雙拍制時，步距角減小一半，所以一臺步進電動機可有兩個步距角如1.5o/0.75o、1.2o/0.6o、3o/1.5o等。8.1.4基本特點第19頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五2.反應(yīng)式步進電動機可以按特定指令進行角度控制，也可以進行速度控制。如圖8.0.1

角度控制時，每輸入一個脈沖，輸出軸就轉(zhuǎn)過一個角度，其步數(shù)與脈沖數(shù)一致，輸出軸轉(zhuǎn)動的角位移量與輸入脈沖數(shù)成正比。速度控制時，步進電動機繞組中送入連續(xù)脈沖，各相繞組不斷地輪流通電，步進電動機連續(xù)運轉(zhuǎn)，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。每分鐘轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的圓周數(shù)，即轉(zhuǎn)速為8.1.4基本特點第20頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

反應(yīng)式步進電動機轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)，而與電壓、負(fù)載、溫度等因素?zé)o關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒數(shù)一定時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與輸入脈沖頻率成正比，或者說其轉(zhuǎn)速和脈沖頻率同步，改變脈沖頻率可以改變轉(zhuǎn)速，故可以進行無級調(diào)速，調(diào)速范圍很寬。

若改變通電順序，即改變定子磁場旋轉(zhuǎn)的方向，就可以控制電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。所以步進電動機是用電脈沖進行控制的電機，改變電脈沖輸入的情況，就可方便地控制它，使它快速、啟動、反轉(zhuǎn)、制動或改變轉(zhuǎn)速。

8.1.4基本特點第21頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

4.步進電動機具有自鎖能力，當(dāng)控制電脈沖停止輸入，而讓最后一個脈沖控制的繞組繼續(xù)通直流電時，則電機可以保持在固定的位置上，即停在最后一個脈沖控制的角位移的終點位置上，這樣，步進電動機可以實現(xiàn)停車時轉(zhuǎn)子定位。由于步進電動機工作時的步數(shù)或轉(zhuǎn)速既不受電壓波動和負(fù)載變化的影響（在允許負(fù)載范圍內(nèi)），也不受環(huán)境條件（溫度、壓力、沖擊和振動等）變化的影響，只與控制脈沖同步，同時它又能按照控制的要求，進行起動、停止、反轉(zhuǎn)或改變轉(zhuǎn)速。因此步進電動機被廣泛地應(yīng)用與各種數(shù)字控制系統(tǒng)中。

8.1.4基本特點第22頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

當(dāng)控制電脈沖不斷送入步進電動機，各相繞組又按照一定順序輪流通電時，步進電動機轉(zhuǎn)子就一步步地轉(zhuǎn)動。當(dāng)控制脈沖停止，而僅給某相繞組通以恒定電流，這時轉(zhuǎn)子將固定在某一位置上保持不動，此時稱為靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)時，即使有一個小的擾動，使轉(zhuǎn)子偏離此穩(wěn)定位置，磁場力也能把轉(zhuǎn)子拉回來。步進電動機能可靠地鎖定在靜止位置的功能，稱為“自鎖”。所以步進電機可以通過繞組通直流電，實現(xiàn)停車時轉(zhuǎn)子定位。轉(zhuǎn)子在靜止?fàn)顟B(tài)時所受的電磁力矩稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的關(guān)系稱為靜態(tài)矩角特性。對于多相步進電動機可以一相單獨通電，也可以多相同時通電，不同通電方式下步進電動機靜態(tài)矩角特性也不同，下面分別進行討論。8.2反應(yīng)式步進電動機的特性8.2.1靜態(tài)運行特性第23頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五8.2反應(yīng)式步進電動機的特性8.2.1矩角特性和靜態(tài)轉(zhuǎn)矩θeθte圖8.2.0定、轉(zhuǎn)子齒的相對位置定義定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒軸線之間夾角為失調(diào)角e，失調(diào)角e為通常用電角度表示。t為一個齒距對應(yīng)的角度，稱為齒距角。若用電弧度表示，則齒距角te=2電弧度。一.單相通電矩角特性:步進電動機的靜態(tài)運行性能可以由矩角特性來描述，矩角特性是不改變控制繞組通電狀態(tài)，也就是保持一相或幾相控制繞組通直流電流時，電磁轉(zhuǎn)矩與偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系，即Tem＝f(e)。下面分別討論單相和多相控制的矩角特性。第24頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五一.單相通電時的矩角特性

單相通電時，只有通電相極下的定子、轉(zhuǎn)子齒產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。由于定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的對稱性，每對定子極下定子、轉(zhuǎn)子小齒的相對位置和所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩都是相同的，故可用一對定子、轉(zhuǎn)子小齒相對位置的變化引起的轉(zhuǎn)矩變化來進行討論。電動機總的電磁轉(zhuǎn)矩等于通電極下所有的定子、轉(zhuǎn)子小齒產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之總和。圖8.2.1表示定子小齒與轉(zhuǎn)子一個齒的相對位置。當(dāng)某相通電時，苦定子、轉(zhuǎn)子小齒軸線對齊，即qe＝0，則此時定子、轉(zhuǎn)子小齒之間的磁阻最小，吸力最大，但此吸力是沿齒的軸線方向的，而沿圓周方向的切向電磁力為零，對轉(zhuǎn)軸不構(gòu)成力矩，所以步進電動機轉(zhuǎn)子所受電磁力矩為零，如圖8.2.1(a)所示。若外加一個力矩TL，使轉(zhuǎn)子沿順時針方向(圖中為向右)轉(zhuǎn)動qe角，則磁力線被扭曲，產(chǎn)生逆時針(向左)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem；它力圖使定子、轉(zhuǎn)子齒恢復(fù)對齊狀態(tài)，當(dāng)Te＝TL時，轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度保持為qe某個值。當(dāng)外加力矩增大，使qe

增大時，Tem也增大。當(dāng)qe＝qt/4時，Tem達到逆時針方向最大值，如圖8.2.1(b)所示。當(dāng)qe繼續(xù)增大，qe＞qt/4時，Tem

方向不變，但Tem值卻減小。當(dāng)qe＝qt/2時，Tem＝0，如圖8.2.1(c)所示。這時相鄰的兩個定子齒對轉(zhuǎn)子齒的電磁力大小相等，方向相反，合力為零，轉(zhuǎn)矩為零。反之，外加力矩使轉(zhuǎn)子逆時針方向(圖中為向左)轉(zhuǎn)動qe角，則產(chǎn)生順時針(向右)的電磁力矩。當(dāng)向左移動到qe=-qt/4時，Tem同樣達最大，如圖8.2.1(d)所示。而當(dāng)qe＝-qt/2，Tem＝0。第25頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五8.2.1矩角特性和靜態(tài)轉(zhuǎn)矩圖8.2.1一通電時，定、轉(zhuǎn)子不同位置時的靜態(tài)作用力矩第26頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

設(shè)順時針方向轉(zhuǎn)動時qe和

Tem為正，逆時針方向為負(fù)。則qe當(dāng)在±qt/2范圍內(nèi)變化時，對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩基波Tem按正弦規(guī)律變化，如圖8.2.2所示。該曲線稱為步進電動機靜態(tài)矩角特性，表達式為

式中Temax——為步進電動機的最大靜態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩，它表征了步進電動機的承載能力。式中的負(fù)號表明上述假定條件下，步進電動機的電磁轉(zhuǎn)矩總是與轉(zhuǎn)子移動方向相反，即電磁轉(zhuǎn)矩總是力圖使轉(zhuǎn)子失調(diào)角為零，因此電磁轉(zhuǎn)矩也稱為整步轉(zhuǎn)矩。

qe＝0，Tem＝0為穩(wěn)定平衡點，-p/2＜qe＜p/2為穩(wěn)定工作區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)，當(dāng)外負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時，

qe增大，電磁轉(zhuǎn)矩也增加，達到新的平衡點而穩(wěn)定工作。而qe

＝±p/2為不穩(wěn)定工作點。此時當(dāng)外負(fù)載轉(zhuǎn)矩使

qe增大，且大于p/2時，電磁轉(zhuǎn)矩反而減小，轉(zhuǎn)子將沿qe

增加方向繼續(xù)運動，直到新的平衡點為止，這就會造成轉(zhuǎn)子失步。

第27頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五圖8.2.2

步進電動機的矩角特性步進電動機產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T隨失調(diào)角e的變化規(guī)律。這個規(guī)律即T=f(e)曲線稱為步進電動機的矩角特性，其形態(tài)近似正弦曲線8.2.1矩角特性和靜態(tài)轉(zhuǎn)矩第28頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

步進電動機矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值Tjmax表示了步進電動機承受負(fù)載的能力。

采用磁場能量法可推導(dǎo)出單相通電時靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)子失調(diào)角e的關(guān)系式:式中Zs

為每極下的小齒數(shù)；Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；G為氣隙比磁導(dǎo)；l為定、轉(zhuǎn)子軸向長度；IW為每極控制繞組安匝數(shù)，I為控制繞組電流，

W為每極控制繞組有效匝數(shù)。8.2.1矩角特性和靜態(tài)轉(zhuǎn)矩第29頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五當(dāng)失調(diào)角e=/2時，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大，即：

當(dāng)不計鐵心飽和時，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值與繞組電流的平方成正比。8.2.1矩角特性和靜態(tài)轉(zhuǎn)矩第30頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五第31頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五第32頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五二.多相通電多相通電時的矩角特性和最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Tjmax與單相通電時不同。

m相電機n相同時通電時轉(zhuǎn)矩最大值與單相通電時轉(zhuǎn)矩最大值之比：三相電動機兩相通電時轉(zhuǎn)矩最大值為五相電動機兩相通電時轉(zhuǎn)矩最大值為五相電動機三相通電時轉(zhuǎn)矩最大值為8.2.1矩角特性和靜態(tài)轉(zhuǎn)矩四相電動機兩相通電時轉(zhuǎn)矩最大值為第33頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五三相步進電動機單相、兩相通電時的矩角特性第34頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五五相步進電動機單相、兩相、三相通電時的矩角特性

一般而言，除了三相外，多相電機通電都能提高輸出轉(zhuǎn)矩，故一般功率較大的步進電動機（稱功率步進電動機）都采用大于三相的電機，而且是多相通電的分配方式。第35頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五圖8-2.4空載時步進電動機的單步運行8.2.2單步運行狀態(tài)一.步進電動機的單步運行狀態(tài)假設(shè)矩角特性為正弦形，失調(diào)角e是A相定子齒軸線與轉(zhuǎn)子齒軸線之間夾角，那么A相通電時的矩角特性如圖8-14曲線A所示。第36頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五8.2.2單步運行狀態(tài)圖8.2.5加載時步進電動機的單步運行第37頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

仍以三相步進電動機為例，假設(shè)電動機軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TL。當(dāng)A相通電時，靜態(tài)工作點處于如圖8.2.5所示的A相矩角特性上的a點，對應(yīng)轉(zhuǎn)于位置qea，此時電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡。如果送入控制脈沖，使由原來的A相單獨通電切換到B相單獨通電，則在qea位置時，轉(zhuǎn)子此時所受的電磁轉(zhuǎn)矩TB

，即對應(yīng)qea位置時B相矩角特性的電磁轉(zhuǎn)矩，TB大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL

，轉(zhuǎn)子將在此轉(zhuǎn)矩作用下做步進運動，直到b點，此時TB

＝TL

，達到新的平衡。轉(zhuǎn)子從a點運動到b點，正好走了一個步距角qbe

。這樣，當(dāng)繞組不斷換接時，步進電動機也不斷做步進運動，步距角均為qbe

。但實際上由于各種原因，如結(jié)構(gòu)不對稱等，實際的步距角與理論上的步距角之間有偏差，這個偏差以角分或理論步距角的百分?jǐn)?shù)來表示，稱為靜態(tài)步距角誤差，它的值越小，步進電動機的精度越高，因此它是步進電動機的一項考核指標(biāo)。

第38頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五二.步進電動機的負(fù)載能力（起動轉(zhuǎn)矩Tst）各矩角特性的交點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩Tst(Tq)

，是電機作單步運動所能帶動的極限負(fù)載，也稱為起動轉(zhuǎn)矩。實際電機所帶的負(fù)載TL必須小于起動轉(zhuǎn)矩才能運動，即TLTst8.2.2單步運行狀態(tài)第39頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五第40頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

如果矩角特性近似地看作為正弦形且其幅值相等，當(dāng)步距角

be用電弧度表示為be=2/N（N—拍數(shù)）時,則矩角特性交點為(be-)/2,則起動轉(zhuǎn)矩Tq可用以下公式計算

Tq=-Tjmaxsin[(be-)/2]=Tjmaxcos(be/2)=Tjmaxcos/N

顯然拍數(shù)(N=m或2m)越多，起動轉(zhuǎn)矩Tq越接近于Tjmax，實際中根據(jù)負(fù)載選用電機時應(yīng)留有相當(dāng)余量才能保證可靠運行。8.2.2單步運行狀態(tài)第41頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五三.單步運行時轉(zhuǎn)子振蕩現(xiàn)象8.2.2單步運行狀態(tài)TbctTCqeqebe0第42頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

設(shè)步進電動機做理想空載運行，軸上阻轉(zhuǎn)矩為零。如果開始時A相單獨通電，轉(zhuǎn)子處于失調(diào)角qe＝0的位置，當(dāng)繞組換接使B相通電時，B相定子齒軸線與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開步距角。因此B相矩角特性與A相矩角特性也移動qbe角。B相通電后，轉(zhuǎn)子在B相電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，由a點向新的平衡位置qe=qbe的b點運動正好一個步距角。從理論上講，當(dāng)轉(zhuǎn)子齒移動到B相定子齒下，兩軸線重合時，Tem＝0，轉(zhuǎn)子停止運動、但由于轉(zhuǎn)子的機械慣性作用，轉(zhuǎn)速不為零，而是要繼續(xù)向前運動。當(dāng)qe＞qbe時，電磁轉(zhuǎn)短TB為值，因而使轉(zhuǎn)子減速，失調(diào)角qe越大，負(fù)的TB越大，轉(zhuǎn)子減速越快，直到轉(zhuǎn)速為零。如果電機是理想空載，又沒有阻尼作用，那么轉(zhuǎn)子最終將運動到c點，對應(yīng)qe＝2qbe，這時B相定子齒軸線與轉(zhuǎn)子齒軸線反方向錯開qbe

角。以后電機又在負(fù)的電磁轉(zhuǎn)矩的作用下向反方向轉(zhuǎn)動，又越過b點回到開始出發(fā)點a。這樣繞組每換接一次，如果無阻尼作用，電機轉(zhuǎn)子就圍繞新的平衡位置來回做無阻尼振蕩，如圖8.2.7所示。三.單步運行時轉(zhuǎn)子振蕩現(xiàn)象第43頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

事實上由于轉(zhuǎn)子軸上的摩擦、磁阻及電磁阻尼等的存在，單步運行時轉(zhuǎn)子圍繞新平衡位置的振蕩過程總是衰減的。單步運行時所產(chǎn)生的振蕩現(xiàn)象對步進電動機的運行是很不利的，它將影響系統(tǒng)的精度，帶來振動和噪聲，嚴(yán)重時甚至使轉(zhuǎn)子失步。為此，在步進電動機中往往專門設(shè)置了特殊的阻尼器如機械摩擦阻尼器等。三.單步運行時轉(zhuǎn)子振蕩現(xiàn)象第44頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五8.2.3步進電動機的連續(xù)運行和動特性一.動態(tài)特性與矩頻特性在實際的控制系統(tǒng)中，步進電動機大多處于連續(xù)運行狀態(tài)，而且還需經(jīng)常啟動、制動、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速。此時步進電動機處于動態(tài)運行。步進電動機動態(tài)運行時的整步轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩?；螂姍C連續(xù)轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩，動態(tài)轉(zhuǎn)矩與電源脈沖頻率的關(guān)系稱為步進電動機運行時的轉(zhuǎn)矩—頻率特性，簡稱為運行矩頻特性，它是一條隨輸入脈沖頻率增加轉(zhuǎn)矩下降的曲線。如圖8.2.8所示。當(dāng)輸入脈沖頻率逐漸增加，電動機轉(zhuǎn)速逐漸升高時，步進電動機所帶動的負(fù)載轉(zhuǎn)矩將逐步下降，也就是說，電動機所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩是隨脈沖頻率的升高而減小。圖8.2.8運行矩頻特性第45頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五引起輸入頻率增高，電動機負(fù)載能力下降的一個主要原因是定子繞組電感的影響。因為定子繞組均具有一定的電感L，它有延緩電流變化的特性。當(dāng)控制脈沖使某相繞組通電時，繞組雖已加上電壓，但電流不會立即上升到規(guī)定的數(shù)值，而是按指數(shù)規(guī)律上升。同樣，當(dāng)該相斷電時，繞組中的電流也不會立即下降到零，而是通過放電回路按指數(shù)規(guī)律下降。當(dāng)輸入脈沖頻率較低時。每相繞組通、斷的周期T比較長，電流波形還比較接近理想的矩形波，如圖8-20(a)所示。這時通電時間內(nèi)的平均電流值較大；當(dāng)頻率升高時，周期T縮短，電流波形和理想矩形波有較大差別如圖8.20.(b)；當(dāng)頻率更高時，電流i的波形接近于三角波，幅值也將減小，因而電流平均值大大減小，如圖8.20.(c)所示。因此頻率越高，步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩越小，負(fù)載能力下降。此外，當(dāng)頻率增高時，電動機鐵心損耗隨之增大，使輸出功率和轉(zhuǎn)矩隨之下降。當(dāng)輸入脈沖頗率增加到一定值時，步進電動機已帶不動負(fù)載，而且只要受到一個很小的擾動，就會振蕩、失步以至停轉(zhuǎn)。第46頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五第47頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五二.不同頻率下的連續(xù)運行圖8-21具有步進特征的運行當(dāng)控制脈沖頻率等于或接近于步進電動機的振蕩頻率的1/k倍時（k=1,2,3……），電機就會出現(xiàn)強烈震蕩甚至失步和無法工作，這就是低頻共振和低頻丟步現(xiàn)象。第48頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五圖8-22具有較穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的運行

電機正常連續(xù)運行時（不丟步、失步）所能加的最高控制頻率稱為最大連續(xù)運行頻率或最大跟蹤頻率，是步進電動機的重要技術(shù)指標(biāo)。第49頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五三.步進電動機的起動過程和起動頻率

若步進電動機原來靜止于某一相的平衡位置上，當(dāng)一定頻率的控制脈沖送入時電機就開始轉(zhuǎn)動，但其轉(zhuǎn)速不是一下子就能達到穩(wěn)定數(shù)值，有一個暫態(tài)過程，這就是起動過程。

電機正常起動時（不丟步、不失步）所能加的最高控制頻率稱為起動頻率或突跳頻率，這也是衡量步進電動機快速性能的重要技術(shù)指標(biāo)。

隨著負(fù)載的增加，其起動頻率是下降的。起動頻率fq隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL下降的關(guān)系稱為起動矩頻特性。第50頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五圖8-23起動時的矩頻和慣頻特性若要提高起動頻率，主要可以從下面三個方面考慮：①增加電機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩；②減小電機和負(fù)載的慣量；③增加電機運行的拍數(shù)，使矩角特性移動速度減慢。第51頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五第52頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五第53頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五第54頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五第55頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五第56頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五一、正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器(一)空載工作原理

正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器空載是指輸出繞組(即副邊)R1～R3和R2～R4開路，定子交軸繞組S2～S4開路，惟有定子勵磁繞組S1～S3施加交流電源電壓Uf，如圖10-2所示。若將勵磁繞組軸線方向定為直軸，這時將在電機氣隙中產(chǎn)生一個空間位置不變、大小交變的直軸磁場，稱為脈動磁場，其有效值為F。這個脈動磁通將在轉(zhuǎn)子的兩輸出繞組中感應(yīng)變壓器電動勢，兩電勢在時間上是同相位的，其有效值與該繞組的位置有關(guān)。第57頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

設(shè)余弦輸出繞組軸線與直軸的夾角為q，為了求兩輸出電壓，可將勵磁磁通F沿正、余弦兩繞組軸線分解為兩個分量Fcosq和Fsinq

。

一個分量Fcosq將在余弦繞組中感應(yīng)變壓器電動勢，其有效值Ec為同理另一個分量Fsinq將在正弦繞組中感應(yīng)變壓器電動勢，其有效值Es為第58頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

(二)負(fù)載工作原理

正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器負(fù)載是指輸出繞組(即副邊)R1~R3和R2~R4分別接有負(fù)載阻抗ZLc和ZLS，勵磁繞組接電源，交軸繞組開路，如圖10-3所示。當(dāng)勵磁繞組接通電源后，便在電機中產(chǎn)生直軸脈動磁通F，它將在轉(zhuǎn)子兩輸出繞組中感應(yīng)變壓器電動勢Es和Ec。因為兩繞組分別接有負(fù)載，所以兩電路中分別流有Is和Ic并在氣隙中建立兩個脈動磁通Fs和Fc。為了便于分析問題，把Fs分解成與勵磁繞組軸線一致的直軸分量Fssinq和與勵磁繞組軸線垂直的交軸分量Fscosq。同樣把Fc分解成與勵磁繞組軸線一致的直軸分量Fccosq和與勵磁繞組軸線垂直的交軸分量Fcsinq，兩交袖分量方向相反。根據(jù)變壓器原理可知，負(fù)載的直軸分量將由自動增加的勵磁電流來補償，使得負(fù)載時的直軸合成磁通與空載一樣，仍為F。如果交軸磁通相等，則此時可由空載工作原理得出兩輸出繞組的感應(yīng)電動勢有效值第59頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五即當(dāng)兩輸出繞組交軸分量相等時，其輸出電壓與轉(zhuǎn)角q仍有嚴(yán)格的余、正弦關(guān)系。下面求證兩個交軸磁通相等時，兩輸出繞組所接負(fù)載阻抗應(yīng)具備的條件。因為Fcsinq=Fscosq

；并假設(shè)磁路不飽和，則F正比于I、因此第60頁，共69頁，2023年，2月20日，星期五

因為一般轉(zhuǎn)子上兩個繞組是完全相同的，即ZC＝ZS因此有:ZLS＝ZLC。也就是說，負(fù)載工作時，若兩負(fù)載阻抗相等，正、余弦旋變器的輸出與轉(zhuǎn)角q仍有嚴(yán)格的正、余弦關(guān)系。通常把此種狀態(tài)稱為副邊補償。同時我們不難看出，當(dāng)交鈾磁通Fscosq≠Fcsinq時，則交軸合成磁通必然在正、余弦繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。顯然這個感應(yīng)電動勢的出現(xiàn)將破壞