浙大《自動控制元件》三課堂筆記

個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用浙大《自動控制元件》第三章 步進(jìn)電動機課堂筆記◆主要知識點掌握程度掌握步進(jìn)電動機的基本概念及其工作原理。一、步進(jìn)電動機一種把電脈沖信號變換成角位移以控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的微特電機。在自動控制裝置中作為執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖信號，步進(jìn)電動機前進(jìn)一步，故又稱脈沖電動機。步進(jìn)電動機多用于數(shù)字式計算機的外部設(shè)備，以及打印機、繪圖機和磁盤等裝置。二、步進(jìn)電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)組成步進(jìn)電動機的驅(qū)動電源由變頻脈沖信號源、脈沖分配器及脈沖放大器組成，由此驅(qū)動電源向電機繞組提供脈沖電流。步進(jìn)電動機的運行性能決定于電機與驅(qū)動電源間的良好配合。步進(jìn)電機原理框圖三、步進(jìn)電動機分類：步進(jìn)電動機分為機電式及磁電式兩種基本類型。機電式步進(jìn)電動機由鐵心、線圈、齒輪機構(gòu)等組成。螺線管線圈通電時將產(chǎn)生磁力，推動其鐵心心子運動，通過齒輪機構(gòu)使輸出軸轉(zhuǎn)動一個角度，通過抗旋轉(zhuǎn)齒輪使輸出轉(zhuǎn)軸保持在新的工作位置；線圈再通電，轉(zhuǎn)軸又轉(zhuǎn)動一個角度，依次進(jìn)行步進(jìn)運動。磁電式步進(jìn)電動機主要有永磁式、反應(yīng)式和永磁感應(yīng)子式

3種形式。永磁式步進(jìn)電動機由四相繞組組成。

A相繞組通電時，轉(zhuǎn)子磁鋼將轉(zhuǎn)向該相繞組所確定的磁場方向；

A相斷電、

B相繞組通電時，就產(chǎn)生一個新的磁場方向，這時，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一角度而位于新的磁場方向上，被激勵相的順序決定了轉(zhuǎn)子運動方向。永磁式步進(jìn)電動機消耗功率較小，步矩角較大。缺點是起動頻率和運行頻率較低。個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用反應(yīng)式步進(jìn)電動機在定、轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)外表面上設(shè)有按一定規(guī)律分布的相近齒槽，利用這兩種齒槽相對位置變化引起磁路磁阻的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。這種步進(jìn)電動機步矩角可做到 1°～15°，甚至更小，精度容易保證，起動和運行頻率較高，但功耗較大，效率較低。永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動機又稱混合式步進(jìn)電動機。是永磁式步進(jìn)電動機和反應(yīng)式步進(jìn)電動機兩者的結(jié)合，并兼有兩者的優(yōu)點。四相反應(yīng)式步進(jìn)電機結(jié)構(gòu)圖個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用四、步進(jìn)電機的優(yōu)點直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制系統(tǒng)簡單；控制性能好；輸出轉(zhuǎn)矩大，可直接驅(qū)動負(fù)載；無接觸式；抗干擾能力強；誤差不長期積累；具有自鎖能力和保持轉(zhuǎn)矩五、步進(jìn)電機的應(yīng)用主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，精度高，運行可靠。如采用位置檢測和速度反饋，亦可實現(xiàn)閉環(huán)控制。步進(jìn)電動機已廣泛地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，如數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)控機床、計算機外圍設(shè)備、自動記錄儀、鐘表等之中，另外在工業(yè)自動化生產(chǎn)線、印刷設(shè)備等中亦有應(yīng)用。六、步進(jìn)電機的常用術(shù)語<一）步距角只每給一個電脈沖信號電動機轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度的理論值。<二）齒距角相鄰兩齒中心線間的夾角，通常定子和轉(zhuǎn)子具有相同的齒距角。<三）矩角特性個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用矩角特性是指不改變各相繞組的通電狀態(tài)，即一相或幾相通以直流電流時，電磁轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系。<四）失調(diào)角失調(diào)角是轉(zhuǎn)子偏離零位的角度。<五）零位或初始穩(wěn)定平衡位置只不改變繞組通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子在理想空載狀態(tài)下的平衡位置。<六）最大靜轉(zhuǎn)矩矩角特性上轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。<七）最大靜轉(zhuǎn)矩特性繞組電流改變時，最大靜轉(zhuǎn)矩與相應(yīng)電流的關(guān)系為最大靜轉(zhuǎn)矩特性。<八）精度步進(jìn)電機的精度有兩種表示方法：最大步距誤差和最大步距累計誤差最大步距誤差是指電動機在旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)相鄰兩步之間最大步距和理想步距角的差值。最大累計誤差是指任意位置開始經(jīng)過任意步之間，角位移誤差的最大值。(九）響應(yīng)頻率在某一頻率范圍內(nèi)步進(jìn)電動機可以任意運動而不丟失一步，則這一最大頻率稱為響應(yīng)頻率。通常以啟動頻率來作為衡量的指標(biāo)。啟動頻率是指在一定負(fù)載下直接啟動而不失步的極限頻率，也稱為極限啟動頻率或突跳頻率。<十）運行頻率只拖動一定負(fù)載使頻率連續(xù)上升時，步進(jìn)電機不失步運行的極限頻率。<十一）啟動矩頻特性給定的驅(qū)動條件下，負(fù)載慣量一定，啟動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為啟動矩頻特性，又稱為牽入特性。<十二）運行頻率特性負(fù)載慣量不變，運行頻率和負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為運行矩頻特性，又稱為牽出特性。<十三）慣頻特性負(fù)載力矩一定時，頻率和負(fù)載慣量之間的關(guān)系，分為啟動慣頻特性和運行慣頻特性。<十四）單步響應(yīng)單步響應(yīng)是指步進(jìn)電機在帶電不動的情況下，該變一次脈沖電壓，轉(zhuǎn)子由啟動到停止的運行軌跡。七、反應(yīng)式步進(jìn)電機的結(jié)構(gòu)特點個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用1）單段式結(jié)構(gòu)：徑向分相式2）多段式結(jié)構(gòu)：軸向分相式八、步進(jìn)電動機的動態(tài)特性<一）單脈沖作用下運行：空載狀態(tài)和負(fù)載狀態(tài)<二）最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩：某種通電方式下，各相距角特性曲線的交點 —曲線簇包羅線的最低點即為步進(jìn)電動機單步運行所能帶動的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩。九、步進(jìn)電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)的基本組成直流電源、脈沖發(fā)生器、脈沖分配器、功率放大器十、步進(jìn)電動機的驅(qū)動電路單一電壓型驅(qū)動電源高低壓切換型驅(qū)動電源帶連續(xù)電流檢測的高低壓切換型驅(qū)動電源斬波恒流型驅(qū)動電源調(diào)頻調(diào)壓型驅(qū)動電源細(xì)分電路、平滑電路和自動升降頻電路十一、步進(jìn)電動機的靜態(tài)特性<一）矩角特性在同步電動機的傳動控制中，定子上產(chǎn)生的電樞磁勢

FS和轉(zhuǎn)子磁勢

Fr

同步旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩

T，磁勢關(guān)系如圖所示。氣隙中的合成磁勢

Fo為個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用同步電動機的步進(jìn)運動與普通同步電動機的傳動控制不同，不但要關(guān)心電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，更要關(guān)心它的轉(zhuǎn)子位置，和轉(zhuǎn)矩。對于步進(jìn)同步電動機，需要特別關(guān)心的是定子磁動勢 FS和轉(zhuǎn)子磁動勢 Fr的夾角θ,而不是普通同步電動機中人們所熟知的功角 σ。在步進(jìn)同步電動機中夾角θ是一個十分重要的參數(shù)，稱之為矩角。根據(jù)圖 2所示的矢量關(guān)系，可將式 <10）的轉(zhuǎn)矩方程改寫為與步進(jìn)電動機的組合電磁鐵特性十分相似，同步電動機由定子磁動勢和轉(zhuǎn)子磁動勢相互吸引而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。矩角不但決定轉(zhuǎn)矩的大小，同時影響著步進(jìn)運動的精度。而且，矩角控制是一種并級結(jié)構(gòu)，即在控制位置的同時，相應(yīng)地調(diào)整矩角，轉(zhuǎn)矩和位置，具有同樣的快速響應(yīng)速度，使步進(jìn)傳動系統(tǒng)達(dá)到最佳的運行狀態(tài)。十二、步進(jìn)電動機的動態(tài)特性單脈沖下的運行個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩：在某種通電方式下，各相矩角特性曲線的交點，曲線簇包絡(luò)線的最低點Temq即是步進(jìn)電動機單步運行時的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，稱為極限啟動轉(zhuǎn)矩。在實際運行過程中，必須有：三相反應(yīng)式步進(jìn)電機三相單三拍：三相雙三拍：三相單雙六拍：十三、單脈沖作用下步進(jìn)電動機的振蕩現(xiàn)象個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用十四、連續(xù)運行時步進(jìn)電動機的動態(tài)特性<一）動穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定裕度<二）步進(jìn)電機的起動過程和起動頻率<三）起動矩頻特性個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用在給定驅(qū)動電源條件下，負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量一定時，起動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱為起動矩頻特性。<四）起動慣頻特性在給定驅(qū)動電源條件下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時，起動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的關(guān)系稱為起動慣頻特性。十五、步進(jìn)電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)的組成驅(qū)動電源的組成個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用步進(jìn)電動機的單一型驅(qū)動電源單電壓驅(qū)動，串聯(lián)不同電阻時的特性十六、步進(jìn)電動機的選擇和使