步進電動機2課件

§5-3運行特性一、靜態(tài)運行狀態(tài)步進電動機不改變通電情況的運行狀態(tài)稱為靜態(tài)運行。1、矩角特性步進電機的靜轉(zhuǎn)矩T與失調(diào)角之間的關(guān)系T=f(θ)叫做矩角特性。失調(diào)角:電機轉(zhuǎn)子偏離初始平衡位置的電角度。初始平衡位置：指步進電動機在空載情況下，控制繞組中通以直流時，轉(zhuǎn)子的最后穩(wěn)定平衡位置。靜轉(zhuǎn)矩：步進電動機靜態(tài)運行時轉(zhuǎn)子受到的反應轉(zhuǎn)矩T叫做靜轉(zhuǎn)矩，通常以使θ增加的方向為正。電機定子齒與轉(zhuǎn)子齒中心線之間的夾角就是失調(diào)角，當步進電機的控制繞組通電狀態(tài)變化一個循環(huán)，轉(zhuǎn)子正好轉(zhuǎn)過一齒，故轉(zhuǎn)子一個齒對應電角度為2π。1在步進電機某一相控制繞組通電時，如果該相磁極下的定子齒與轉(zhuǎn)子齒對齊，那么失調(diào)角θ=0，靜轉(zhuǎn)矩T=0，如圖a所示；如果定子齒與轉(zhuǎn)子齒未對齊，即0<θ<π，出現(xiàn)切向磁力，其作用是使轉(zhuǎn)子齒與定子齒盡量對齊，即使失調(diào)角θ減小，故為負值，如圖b所示。如果為空載，那么反應轉(zhuǎn)矩作用的結(jié)果是使轉(zhuǎn)子齒與定子齒完全對齊；如果某相控制繞組通電時轉(zhuǎn)子齒與定子齒剛好錯開，即θ=π，轉(zhuǎn)子齒左右兩個方向所受的磁拉力相等，步進電機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為0，如圖c所示。

(a)(b)(c)2單相通電時，通電相極下所有齒都產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，由于同一相極下所有定子齒和轉(zhuǎn)子齒相對應的位置都相同，因而電機總轉(zhuǎn)矩為通電相極下各定子齒所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩之和。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩TA相通電時，有在dt時間內(nèi)輸入的電能為式中第一部分為電阻損耗；第二部分為磁場儲能，是電機對外做功的能源。3電磁轉(zhuǎn)矩T驅(qū)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過偏轉(zhuǎn)角時，步進電動機對外輸出的機械能，從能量平衡關(guān)系即靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為在線性系統(tǒng)中若控制繞組中的電流I為常數(shù)，每相控制繞組是兩個極上繞組串接而成，且每極繞組的匝數(shù)為N，則4為每極控制繞組的磁動勢；為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；為氣隙磁導對失調(diào)角的變化率。氣隙磁導可表示為為氣隙比磁導；是指單位鐵芯長度上一個齒距內(nèi)定、轉(zhuǎn)子間的氣隙磁導；為定子每極下的小齒數(shù)；為鐵心長度。5氣隙比磁導忽略高次諧波影響影響時，氣隙比磁導為由此可得靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T是失調(diào)角的正弦函數(shù)，它的作用總是使轉(zhuǎn)子位置趨向于失調(diào)角為零；在結(jié)構(gòu)一定且磁路不飽和的條件下靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的大小與I2成正比。6步進電機的靜轉(zhuǎn)矩隨失調(diào)角呈周期性變化，變化的周期為轉(zhuǎn)子的齒距，也就是2π電角度。實踐表明，反應式步進電機的靜轉(zhuǎn)矩T與失調(diào)角θ的關(guān)系近似為T=-Csinθ式中C為常數(shù)，與控制繞組、控制電流、磁阻等有關(guān)。步進電機某相繞組通電時矩角特性如圖所示。矩角特性上靜轉(zhuǎn)矩的最大值Tsm稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。

72、多相通電時a)

三相步進電動機A→AB→B→BC→C→CA→A順序通電TA=TmaxsinθseTB=Tmaxsin(θse-120°)TAB=TA+TB=2Tmaxcos60°=Tmax8

b)五相步進電動機1、供電方式；（C=1）：五相單五拍A→B→C→D→E→A

五相雙五拍AB→BC→CD→DE→EA→AB

五相三五拍ABC→BCD→CDE→DEA→EAB→ABC(C=2):五相單雙十拍A→AB→B→BC→C→CD→D→DE→E→EA→A五相三雙十拍AB→ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB9TA=TmaxsinθseTB=Tmaxsin(θse-72°)TAB=2Tmaxcos36°=1.618Tmax10結(jié)論：m相電動機n相同時通電時的轉(zhuǎn)矩最大值與單相通電時的值之比為：一般情況下，多相同時通電時能提高輸出轉(zhuǎn)矩，功率大時采用。3、矩角特性族

11二、步進運行狀態(tài)（單脈沖運行狀態(tài)）當接入控制繞組的脈沖頻率較低，電機轉(zhuǎn)子完成一步之后，下一個脈沖才到來，電機呈現(xiàn)出一轉(zhuǎn)一停的狀態(tài)，故稱之為步進運行狀態(tài)。1、步進運行狀態(tài)過程負載TL=0（即空載）12A相通電時，-π<θ<π為靜穩(wěn)定區(qū)，當A相繞組斷電轉(zhuǎn)到B相繞組通電時，新的穩(wěn)定平衡點為b，對應于它的靜穩(wěn)定區(qū)為-π+θb<θ<π+θb（圖中θb=2/3π）,在換接的瞬間，轉(zhuǎn)子的位置只要停留在此區(qū)域內(nèi)，就能趨向新的穩(wěn)定平衡點b，所以區(qū)域（-π+θb，π+θb）稱為動穩(wěn)定區(qū)，顯而易見，相數(shù)增加或極數(shù)增加，步距角愈小，動穩(wěn)定區(qū)愈接近靜穩(wěn)定區(qū),即靜、動穩(wěn)定區(qū)重疊愈多，步進電機的穩(wěn)定性愈好。13步進電機帶上負載TL后，轉(zhuǎn)子每走一步不再停留在穩(wěn)定平衡點，而是停留在靜轉(zhuǎn)矩T等于負載轉(zhuǎn)矩的點上。14如果負載較大，轉(zhuǎn)子未轉(zhuǎn)到曲線A、B的交點就有T=TL，轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)，當A相斷電B相通電，轉(zhuǎn)到曲線B后T<TL，電機不能作步進運動。顯而易見，步進電機能夠帶負載作步進運行的最大值TLmax即是兩相矩角曲線交點處的電機靜轉(zhuǎn)矩，又成為起動轉(zhuǎn)矩Tst。說明1、C=1時，m最小必須為32、若增加相數(shù)或拍數(shù)，那么靜動穩(wěn)定區(qū)重疊增加，兩相曲線交點升高，最大電機靜轉(zhuǎn)矩增加。3、距角特性為平頂波時起動轉(zhuǎn)矩Tst增大接近與Tsm。4、實際運行時，所帶負載值還應減小，一般為TL=(0.3～0.5）Tsm。

152、自由振蕩過程產(chǎn)生原因：當電機達到穩(wěn)定平衡點時，T=0，但轉(zhuǎn)速n≠0，轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前運動，使θ增大，并產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，在此轉(zhuǎn)矩的作用下，當θ=2θse時，n=0，并繼續(xù)在該轉(zhuǎn)矩的作用下向相反方向運動，直到θ=0，形成自由振蕩的過程。16考慮到阻尼轉(zhuǎn)矩時，形成衰減的振蕩過程。

理論上可以證明固有振蕩角頻率為17三、連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)當脈沖頻率f較高時，電機轉(zhuǎn)子未停止而下一個脈沖已經(jīng)到來，步進電動機已經(jīng)不是一步一步地轉(zhuǎn)動，而是呈連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)。根據(jù)外加脈沖頻率的變化范圍，可以分為三個頻率段：極低頻段：每一脈沖的時間間隔足夠是轉(zhuǎn)子的振蕩過程來的及衰減，轉(zhuǎn)子總可以處于新的平衡位置。（可以穩(wěn)定運行）高頻段：頻率f>4f0（振蕩頻率），此時電機沒出現(xiàn)振蕩的階段，并且沒有到達新的穩(wěn)定點。低頻段：極低頻段與高頻段之間的頻段。

181、起動頻率起動頻率是指在一定負載轉(zhuǎn)矩下，能夠不失步的起動脈沖最高頻率。頻率不太高時：轉(zhuǎn)矩減小，但方向不變，使電機向新的平衡點運動。頻率太高時：使轉(zhuǎn)矩的方向改變，使電機減速，不能起動。19結(jié)論：1、當tf小到某一數(shù)值時，轉(zhuǎn)子運動不到穩(wěn)定區(qū)域，此時轉(zhuǎn)子會失步，tfmin對應的頻率為起動頻率fst。2、fst的大小與電機的步距角θs有關(guān)。若增加相數(shù)m或拍數(shù)C，那么θs越大，進入動穩(wěn)定區(qū)越容易，fst越高。3、Tsm越大，轉(zhuǎn)子達到動穩(wěn)定區(qū)所須時間越短，fst越高。4、轉(zhuǎn)動慣量越小，動態(tài)響應短，轉(zhuǎn)子達到動穩(wěn)定區(qū)所須時間越短，fst越高。5、負載轉(zhuǎn)矩增大，使加速轉(zhuǎn)矩減小，達到動穩(wěn)定區(qū)所須時間增長，fst減小。6、電路時間常數(shù)增大，達到動穩(wěn)定區(qū)所須時間增長，fst減小。202、連續(xù)運行頻率fsuc起動后，控制脈沖頻率連續(xù)上升時，能不失步運行的最高頻率稱為連續(xù)運行頻率fsuc。fsuc>fst：原因是起動時除了克服負載轉(zhuǎn)矩，還克服電機加速JdΩ/dt。脈沖頻率升高，電機轉(zhuǎn)速增加，步進電動機所能帶動的負載轉(zhuǎn)矩將減小。21主要是因為頻率升高時，脈沖間隔時間小，由于定子繞組電感有延緩電流變化的作用，控制繞組的電流來不及上升到穩(wěn)態(tài)值。頻率越高，電流上升到達的數(shù)值也就越小，因而電機的電磁轉(zhuǎn)矩也越小。另外，隨著頻率的提高，步進電動機鐵芯中的渦流增加很快，也使電機的輸出轉(zhuǎn)矩下降。總之步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩隨著脈沖頻率的升高而減小，步進電機的平均轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動電源脈沖頻率的關(guān)系叫做矩頻特性。22§5-4驅(qū)動電源步進電動機的控制繞組中需要一系列的有一定規(guī)律的電脈沖信號，從而使電機按照生產(chǎn)要求運行。這個產(chǎn)生一系列有一定規(guī)律的電脈沖信號的電源稱為驅(qū)動電源。步進電動機的驅(qū)動電源主要包括變頻信號源、脈沖分配器和脈沖放大器三個部分，其方框圖如圖

23驅(qū)動電源的分類：1、按脈沖極性分：單向脈沖電源、正負雙極性脈沖電源（永磁式和永磁感應子式）2、脈沖的供電方式：單一電壓型電源、高低壓切換型電源、電流控制的高低壓切換型電源、細分電路電源241.單一電壓型驅(qū)動電源單一電壓型電源是最簡單的驅(qū)動電源，其原理電路如圖所示。為高電平時VT1導通，繞組通電；為低電平時VT1關(guān)斷，繞組斷電。作用減小電路的時間常數(shù)，這樣可增大動態(tài)轉(zhuǎn)矩，提高起動和連續(xù)運行頻率，并使起動和運行矩頻特性下降緩慢。C的作用

可強迫控制電流加快上升，使電流波形前沿更陡，改善波形。VD1和的作用

形成放電回路，限制功率管VT1上的電壓，保護功率管。單一電壓型電源線路簡單、功放元件少、成本低，但效率較低。252.高、低壓切換型驅(qū)動電源高、低壓切換型電源，其原理電路如圖所示。步進電動機的每一相控制繞組需要有兩只功率元件串聯(lián)，它們分別由高壓和低壓兩種不同的電源供電。高壓供電是用來加速電流的上升速度，改善電流波形的前沿，而低壓是用來維持穩(wěn)定的電流值。的作用調(diào)節(jié)控制繞組的電流值，使各相電流平衡。

VD2及作用是構(gòu)成續(xù)流電路。這種電源效率較高，起動和運行頻率也比單一電壓型電源要高。263.電流控制的高、低壓切換電源帶有連續(xù)電流檢測的高、低壓驅(qū)動電源是在高、低壓切換型電源的基礎(chǔ)上，多加了一個電流檢測控制線路，使高壓部分的電流斷續(xù)加入，以補償因控制繞組的旋轉(zhuǎn)電動勢和相間互感等原因所引起的電流波頂下凹造成的轉(zhuǎn)矩下降。它是根據(jù)主回路電流的變化情況，反復地接通和關(guān)斷高壓電源，使電流波頂維持在需求的范圍內(nèi)，步進電動機的運行性能得到了顯著的提高，相應使起動和運行頻率升高。因在線路中增加了電流反饋環(huán)節(jié)，使其結(jié)構(gòu)較為復雜，成本提高。274.步進電動機驅(qū)動電源實例以LQ-1500打印機字車步進電動機驅(qū)動電源及控制線路為例。打印機在打印前必須把打印頭移動到要求開始打印的點上，在打印不同字體的字符時，又要求打印頭以不同的速度沿著打印紙做出水平移動。這些操作都由主CPUZ80通過從CPU8042（11D）控制和驅(qū)動字車步進電動機，帶動齒輪、齒皮帶及機頭小車等傳動機構(gòu)來完成的。（1）系統(tǒng)的組成

8042是INTEL公司的通用外圍接口8位微處理器

13C（μPA79C）達林頓電路，具有很高的電流放大系數(shù)。

STK6982是一種專門用于驅(qū)動步進電動機的集成電路。字車步進電動機，有LA、LB、LC、LD四個控制繞組。28字車步進電動機驅(qū)動電路圖29圖4-37STK698230（2）過程分析驅(qū)動以A、B兩相為例。開始8042的P21高電平→4腳低電平→5腳高電平→線圈LA通電，回路為VP（+24V）→1→2→LA→4→8→R1→GP（-）；與此同時，線圈LB無電流通過。反之，若8042的P21線輸出低電平，線圈LB通電而線圈LA無電流通過。

C、D兩相和A、B兩相類似，由8042的P20來控制它們的導通，STK6982中的TR8驅(qū)動線圈LC，TR7驅(qū)動線圈LD。限流

在LQ-1500打印機中，步進電動機每相控制繞組的直流電阻僅4Ω左右，若不加限制，驅(qū)動電流可達6A，要求工作電流應控制在(0.5~0.9)A之間。31電流上升回路為VP（+24V）→1→2→LA→4→8→R1→GP（-），電流以最大值為6A的趨勢快速上升。電流下降回路變?yōu)閂P→56電阻→D33→LA→4→8→R1→GP（-），此時線圈LA中的電流下降。線圈LA中的電流限制在0.5A到0.9A之間。保持當步進電動機處于鎖定時，它要求的力矩較小，因此可降低線圈中的電流。這時8042就在P22端送出一個高電平到STK