第四章-第三節(jié)：步進電動機

第四章

特殊電機第三節(jié)：步進電動機

目錄目錄Content儀用互感器步進電動機的功能特點01步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)02步進電動機的特點及應(yīng)用03步進電動機的供電電源04一、步進電動機功能特點案例3：步進電動機驅(qū)動數(shù)控機床絲杠一、步進電動機的功能特點步進電動機又稱脈沖電動機，是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的開環(huán)控制器件，即將脈沖電信號變換為相應(yīng)的角位移或直線位移輸出。步進電動機的驅(qū)動電源由脈沖發(fā)生器、脈沖分配器、功率放大器組成，由該驅(qū)動電源向步進電動機定子繞組提供脈沖電流。如圖4-16所示。當(dāng)驅(qū)動電源接收到一個脈沖信號時，它就驅(qū)動步進電動機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱步進角)。它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制步進電動機的角位移量，從而達到準確定位的目的；同時也可以通過控制脈沖頻率來控制步進電動機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的電動機，每當(dāng)一個電脈沖加到步進電動機的控制繞組上時，它的軸就轉(zhuǎn)動一定的角度，角位移量與電脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，又稱為脈沖電動機。

由此可見，步進電動機與前面介紹的常用電動機的主要區(qū)別是常用電動機是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而步進電動機是一步一步轉(zhuǎn)動的。向定子繞組供給一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個角度，如果連續(xù)輸入脈沖信號，轉(zhuǎn)子就像走路一樣，一步接一步轉(zhuǎn)過一個角度又一個角度。因此步進電動機從結(jié)構(gòu)上講就是一種感應(yīng)電動機，其驅(qū)動電源將恒定的直流電變?yōu)榉謺r供電的多相序控制電流，驅(qū)動步進電動機工作。作用：二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)步進電動機是電脈沖控制的電動機，目前比較常用的有感應(yīng)式(可變磁阻式)步進電動機、永磁式步進電動機和混合式步進電動機。其外形如圖4-17所示。永磁式磁阻式（反應(yīng)式）按勵磁方式分類：混磁式單相；兩相；三相；多相按相數(shù)分類：二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)1.感應(yīng)式(可變磁阻式)步進電動機感應(yīng)式步進電動機的基本結(jié)構(gòu)如圖4-18所示。定子為三相六個繞組，轉(zhuǎn)子由軟鐵制成十字形，按順序控制U、W、V三組繞組中的電流就會使電動機旋轉(zhuǎn)。這是由于繞組中的電流就會使定子鐵芯產(chǎn)生磁場，這個磁場吸引轉(zhuǎn)子鐵芯的凸齒，按順序控制U、W、V三組繞組先后通電，轉(zhuǎn)子就會跟隨一步步轉(zhuǎn)動，如圖4-19所示。二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)上述所講的步進電動機的“三相”不同于交流電的“三相”,它只表明定子圓周上有三套獨立的控制繞組，但不能同時通電。在工程技術(shù)上，從一相通電切換到另一相通電稱為一拍，而三相依次通電的運行方式稱為三相單三拍運行方式。為了實現(xiàn)步進電動機的精密控制，必須增加轉(zhuǎn)子的齒數(shù)和定子磁極所對應(yīng)的齒數(shù)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-20所示。它的定子和轉(zhuǎn)子均用硅鋼片或其他軟磁性材料制成，定子磁極數(shù)為相數(shù)的兩倍，每對定子磁極上繞有一對控制繞組，被稱為一相。在定子磁極極面和轉(zhuǎn)子外緣開有分布均勻的小齒，兩者齒形和齒距相同。如果使兩者齒數(shù)恰當(dāng)配合，可實現(xiàn)使U相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒——對正，而V相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒錯開1/3齒距，W相則錯開2/3齒距。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于電動機制造簡便、精確度高，每轉(zhuǎn)一步所對應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角(步距角)小，容易獲得較高的啟二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)2.永磁式步進電動機永磁式步進電動機一般為兩相，即定子由4個磁極構(gòu)成，每個磁極上繞有一組繞組，轉(zhuǎn)子則由永久磁鐵制成，為圓柱形結(jié)構(gòu)，如圖4-21所示。當(dāng)改變定子繞組中的電流和方向時，定子磁極形成的磁場與轉(zhuǎn)子磁極相互吸引就能使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。永磁式步進電動機輸出轉(zhuǎn)矩比較大，動態(tài)性能較好，但步距角大，體積較大。3.混合式步進電動機混合式步進電動機綜合了感應(yīng)式步進電動機和永磁式步進電動機的優(yōu)點，即出力大，步距角小，動態(tài)性能好，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。它又分兩相及五相兩種。定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子齒模型結(jié)構(gòu)示意圖二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)工作原理三相磁阻式步進電動機單三拍控制時的工作原理轉(zhuǎn)子齒1和3與定子U相磁級軸線對齊，轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動磁力線總是通過磁阻最小的路徑閉合，轉(zhuǎn)子受到磁阻轉(zhuǎn)矩的作用U相控制繞組通電，V、W兩相控制繞組不通電二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)工作原理三相磁阻式步進電動機單三拍控制時的工作原理V相控制繞組通電，U、W兩相控制繞組不通電磁力線總是通過磁阻最小的路徑閉合，轉(zhuǎn)子受到磁阻轉(zhuǎn)矩的作用轉(zhuǎn)子齒2和4與定子V相磁級軸線對齊，轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)工作原理三相磁阻式步進電動機單三拍控制時的工作原理轉(zhuǎn)子齒1和3與定子W相磁級軸線對齊，轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動磁力線總是通過磁阻最小的路徑閉合，轉(zhuǎn)子受到磁阻轉(zhuǎn)矩的作用W相控制繞組通電，V、U兩相控制繞組不通電二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)結(jié)論：按U－V－W－U的順序輪流給各相控制繞組通電轉(zhuǎn)子在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下按U－V－W相序方向一步一步的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)速:取決于繞組變換通電狀態(tài)的頻率，即輸入脈沖的頻率。旋轉(zhuǎn)方向:取決于控制繞組輪流通電的順序。二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)幾個概念：“一拍”控制繞組從一種通電狀態(tài)變換到另一種通電狀態(tài)。步距角θb

每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。三相步進電動機的控制方式三相單三拍、三相雙三拍、三相單、雙六拍控制方式。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距需要的拍數(shù)為N

轉(zhuǎn)子齒數(shù)

二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)三相單三拍控制方式每次只有一相控制繞組通電，切換三次為一個循環(huán)。運行不穩(wěn)定，很少采用。切換瞬間，轉(zhuǎn)子失去自鎖能力，容易失步（即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動步數(shù)與拍數(shù)不相等），在平衡位置也容易產(chǎn)生振蕩二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)三相單三拍控制方式每次有兩相繞組同時通電，如UV－VW－WU－UV，每一循環(huán)也需要切換三次，步距角與三相單三拍控制方式相同，也為30o三相單三拍控制方式通電順序如：U－UV－V－VW－W－WU－U，步距角只有三相單三拍和雙三拍的一半，為15o在切換過程中始終保證有一相持續(xù)通電，力圖使轉(zhuǎn)子保持原有位置，工作比較平穩(wěn)二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速：

脈沖電源的頻率

為滿足生產(chǎn)中小位移量的要求，須減小步距角，實際中轉(zhuǎn)子和定子磁極都加工成多齒結(jié)構(gòu)：如圖Zr=40改變步距角的方法①二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)齒距角為9o，采用三相單三拍通電時各量的計算：采用三相六拍通電時：Zr=40的步進電動機的計算：二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)改變步距角的方法②增加相數(shù)也可以增加拍數(shù)從而減小步距相數(shù)增多，所需驅(qū)動電路就越復(fù)雜常用的步進電動機除了三相以外，還有四相、五相和六相。二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)（一）步距角目前我國步進電動機的步距角為0.36o～90o，常用的有7.5o/15o、3o/6o、1.5o/3o、0.9o/1.8o、0.75o/1.5o、0.6o/1.2o、0.36o/0.72o等幾種

。主要技術(shù)指標和運行特性與Zr,定子繞組相數(shù)、通電方式有關(guān)。二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)4.最大靜轉(zhuǎn)矩

靜轉(zhuǎn)矩是指步進電動機處于穩(wěn)定狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩。在穩(wěn)定狀態(tài)下，如果在轉(zhuǎn)子軸上加上負載轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定角度θ，并能穩(wěn)定下來，這時轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相等，該電磁轉(zhuǎn)矩即為靜轉(zhuǎn)矩，而角度θ即為失調(diào)角。對應(yīng)于某個失調(diào)角時，靜轉(zhuǎn)矩最大，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。

二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)5.矩頻特性步進電動機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩和脈沖頻率的關(guān)系稱為矩頻特性。步進電動機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨著脈沖頻率的升高而降低。

動態(tài)轉(zhuǎn)矩：步進電動機的控制繞組的電脈沖時間間隔大于電機機電過渡過程所需的時間，步進電動機進入連續(xù)運行狀態(tài)，這時電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。

二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)6.起動頻率和連續(xù)運行頻率

制動頻率

起動頻率

步進電動機的工作頻率連續(xù)運行頻率

負載轉(zhuǎn)矩相同時，正、反向的起動頻率和制動頻率一樣

二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)起動頻率fst

一定負載轉(zhuǎn)矩下能夠不失步起動的最高脈沖頻率。fst的大小與驅(qū)動電路和負載大小有關(guān)。步距角θb越小，負載越小，則起動頻率越高。

連續(xù)運行頻率f

步進電動機起動后，當(dāng)控制脈沖連續(xù)上升時，能不失步運行的最高頻率。負載越小，連續(xù)運行頻率越高。在帶動相同負載時，步進電動機的連續(xù)運行頻率比起動頻率高得多。

二、步進電動機的種類及結(jié)構(gòu)三、步進電動機的特點及應(yīng)用1.步進電動機的特點步進電動機能夠?qū)㈦娒}沖信號變換成直線位移或角位移，其直線位移量和角位移量與電脈沖數(shù)成正比，其線速度或轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率就可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速；而且能夠快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；如果停機后某些相繞組仍保持通電狀態(tài)，還具有自鎖能力。所以步進電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、精確度高、啟動靈敏、停車準確等特點。不過步進電動機在控制的精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)的閉環(huán)控制的直流伺服電動機。所以常用于精度要求不是特別高的場合，但如果使用恰當(dāng)，有時也可以和直流伺服電動機性能相媲美。2.步進電動機的應(yīng)用步進電動機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)和生產(chǎn)實踐的各個領(lǐng)域。它最大的應(yīng)用是在數(shù)控機床的制造中，因為步進電動機不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認為是理想的數(shù)控機床的執(zhí)行元件。早期的步進電動機輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖電動機。隨著步進電動機技術(shù)的發(fā)展，步進電動機已經(jīng)能夠單獨在系統(tǒng)上使用，成為不可替代的執(zhí)行元件。三、步進電動機的特點及應(yīng)用數(shù)控機床在加工零件時，根據(jù)零件的加工要求和加工工序編制計算機程序語言，并將該程序指令輸入計算機。計算機對步進電動機給出相應(yīng)的控制電脈沖，控制步進電動機按照加工的要求依次做各種運動，如啟動、停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等，然后步進電動機再通過傳動齒輪、絲杠等帶動機床運動。除了在數(shù)控機床上的應(yīng)用，步進電動機也可以應(yīng)用在其他的機械、數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置、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，圖4-23所示為計算機的軟盤驅(qū)動裝置。磁盤上有許多寬約0.5mm的磁道，磁頭通過這些磁道時可進行信息的存取。工作時磁盤旋轉(zhuǎn)，磁頭借助于由步進電動機驅(qū)動的滾珠絲杠裝置在磁道間平移，以實現(xiàn)對磁盤的信息存取，步進電動機的動作則靠鍵盤來操縱。四、步進電動機的供電電源綜上所述，按一定次序給定子繞組通入電脈沖信號，步進電動機轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)過與脈沖數(shù)相對應(yīng)的角度，當(dāng)然實用中脈沖信號不是用