機(jī)器人驅(qū)動與運(yùn)動控制 課件 第8章 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動控制技術(shù)

第8章步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動控制技術(shù)8.1步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和分類8.2步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行原理8.3步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性8.4步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)、選擇與使用8.5本章小結(jié)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)，又稱為脈沖電機(jī)。在非超載的情況下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。

8.1步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和分類

步進(jìn)電機(jī)種類繁多，按其運(yùn)動形式可分為旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)和直線式步進(jìn)電機(jī)兩大類；按其工作原理又可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)三類。

8.1.1反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)亦稱為磁阻式步進(jìn)電機(jī)，是目前應(yīng)用最廣泛的一種步進(jìn)電機(jī)。它的定子鐵芯均由硅鋼片疊壓制成，定子上有多相繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)一般為三、四、五、六相。按照繞組排列方式的不同，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)可分為單段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)和多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。

1.單段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

單段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)又稱為徑向分相式步進(jìn)電機(jī)，它是目前步進(jìn)電機(jī)中使用最多的一種，其結(jié)構(gòu)如圖8-1所示。定子繞組的磁極對數(shù)p

通常為相數(shù)m

的兩倍，即p=2m。每個磁極上都裝有控制繞組，并接成

m

相。在定子磁極的極面上開有小齒，轉(zhuǎn)子沿圓周也有均勻分布的小齒，它們的齒形和齒距完全相同。

單段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是制造簡便，精度易于保證，步距角(轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的機(jī)械角度稱為步距角)可以做得較小，容易得到較高的啟動頻率和運(yùn)行頻率(啟動頻率是利用變頻器控制電機(jī)調(diào)速的頻率，運(yùn)行頻率是步進(jìn)電

機(jī)在持續(xù)運(yùn)行情況下的最大頻率)；其缺點(diǎn)是在電機(jī)的直徑較小而相數(shù)又較多時，沿徑向分相較為困難。此外，電機(jī)消耗的功率較大，斷電時無定位轉(zhuǎn)矩。圖8-1單段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)是指定子鐵芯沿電機(jī)軸向按相數(shù)分成m段的反應(yīng)式步電機(jī)。由于各相繞組沿著軸向分布，因此多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)又稱為軸向分相式步進(jìn)電機(jī)。多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)磁路的結(jié)構(gòu)有兩種：一種是主磁路仍為徑向，另一種是主磁路包含有軸向部分。所以按其磁路結(jié)構(gòu)的不同，多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)又可分為軸向磁路多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)和徑向磁路多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)兩種。

軸向磁路多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖8-2所示。定、轉(zhuǎn)子鐵芯均沿電機(jī)軸向按相數(shù)m

分段，每一組定子鐵芯中間放置一相環(huán)形的控制繞組；定、轉(zhuǎn)子圓周上沖有齒形相近和齒數(shù)相同的均勻分布的小齒槽；定子鐵芯(或轉(zhuǎn)子鐵芯)每相鄰兩段錯開1/m齒距。這種結(jié)構(gòu)使電機(jī)的定子空間利用率較高，環(huán)形控制繞組繞制方便，轉(zhuǎn)子的慣量較小，步距角也可以做得較小，因此電機(jī)的啟動頻率和運(yùn)行頻率較高。但制造時鐵芯分段和錯位工藝復(fù)雜，精度不易保證。圖8-2軸向磁路多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

徑向磁路多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖8-3所示。圖8-3徑向磁路多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

8.1.2永磁式步進(jìn)電機(jī)

與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一樣，永磁式步進(jìn)電機(jī)的定子鐵芯也由硅鋼片疊壓而成，磁極上也套有線圈并將它們連接組成二相或多相繞組。與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)不同的是，永磁式步進(jìn)電機(jī)的定子磁極為凸極，不開小齒，其轉(zhuǎn)子為凸極式星形磁鋼。永磁步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的極數(shù)與每相定子繞組的極數(shù)相同。

圖8-4中所示的是一種典型的永磁式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。該類永磁式步進(jìn)電機(jī)的定子具有二相二對極的繞組(AO、BO)，轉(zhuǎn)子為二對極的磁鋼。圖8-4永磁式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

8.1.3混合式步進(jìn)電機(jī)

混合式步進(jìn)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖8-5所示?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)基本相同，即分成若干極，極上有小齒及集中式繞組。轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鋼及多段鐵芯組成，環(huán)形磁鋼在轉(zhuǎn)子的中部，軸向充磁，鐵芯分別裝在磁鋼的兩端，轉(zhuǎn)子鐵芯上也有如反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)那樣的小齒，但磁鋼兩端鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距。定、轉(zhuǎn)子小齒的齒距通常相同。圖8-5混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

8.2步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行原理

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)是利用磁阻轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的，是我國目前使用最廣泛的步進(jìn)電機(jī)。本節(jié)以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說明步進(jìn)電機(jī)的工作原理。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)利用磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合的原理，產(chǎn)生磁拉力形成磁阻性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩而步進(jìn)的，所以也稱為磁阻式步進(jìn)電機(jī)。

圖8-6是一臺三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的原理圖。圖8-6三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的原理圖

8.2.1三相單三拍

當(dāng)A相繞組通電時，B相和C相都不通電，此時僅有A相定子極產(chǎn)生磁場。由于磁場具有沿著磁阻最小路徑“流過”的特點(diǎn)，因此轉(zhuǎn)子齒1和齒3的軸線與定子A相繞組的磁極軸線對齊，如圖8-6(a)所示。此時轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切向力，故使得轉(zhuǎn)子停在此位置形成自鎖。如果此時將A相斷電，B相通電，使得僅有B相定子極產(chǎn)生磁場，則轉(zhuǎn)子將沿順時針方向轉(zhuǎn)過30°，使轉(zhuǎn)子齒2和齒4的軸線與定子B相繞組的磁極軸線對齊，即轉(zhuǎn)子走了一步，如圖8-6(b)所示。

將B相斷電，僅將C相通電，轉(zhuǎn)子再按順時針方向轉(zhuǎn)過30°，轉(zhuǎn)子齒1和齒3的軸線與C相繞組的磁極軸線對齊，如圖8-6(c)所示。如此按A→B→C→A→…順序不斷將各相繞組通電和斷電，轉(zhuǎn)子就會一步一步地按順時針方向轉(zhuǎn)動，相應(yīng)的電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于繞組通電和斷電的頻率(即輸入脈沖的頻率)，旋轉(zhuǎn)方向取決于繞組輪流通電的順序。若電機(jī)通電次序改為A→C→B→A→…，則通過上述方法可知電機(jī)將按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

上述的控制方式稱為三相單三拍?！叭唷敝覆竭M(jìn)電機(jī)具有三相繞組；“單”指每次只有一相繞組通電；繞組每改變一次通電方式稱為一拍，“三拍”指三次輪流通電為一個循環(huán)，第四拍就重復(fù)第一拍通電情況。

通常將每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，常用θb(單位為機(jī)械角度)表示。步進(jìn)電機(jī)以三相單三拍運(yùn)行時，步距角θb=30°。

8.2.2三相雙三拍

三相雙三拍運(yùn)行是指每次有兩相繞組通電，三拍為一個循環(huán)，繞組的通電方式為AB→BC→CA→AB或AB→CA→BC→AB。下面以AB→BC→CA→AB通電方式為例說明三相雙三拍運(yùn)行下步進(jìn)電機(jī)的原理。當(dāng)A、B兩相繞組同時通電時，A、B相定子極會同時產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子齒的位置應(yīng)同時考慮到兩對定子極的作用，即只有當(dāng)A相極和B相極對轉(zhuǎn)子齒所產(chǎn)生的磁拉力相平衡時，才是轉(zhuǎn)子最終的平衡位置，如圖8-7(a)所示。

下一拍時為B、C兩相同時通電，此時A相極失磁而C相極產(chǎn)生磁場，C相極的磁場會吸引轉(zhuǎn)子齒1、3，即轉(zhuǎn)子按順時針方向轉(zhuǎn)過30°到達(dá)新的平衡位置，如圖8-7(b)所示。下一拍C、A兩相通電時，轉(zhuǎn)子亦按順時針方向旋轉(zhuǎn)30°，如圖8-7(c)所示?？梢?，雙三拍運(yùn)行時的步距角仍是30°，但雙三拍運(yùn)行時每一拍總有一相繞組持續(xù)通電。例如，由A、B兩相通電變?yōu)锽、C兩相通電時，B相保持持續(xù)通電狀態(tài)，C相磁拉力力圖使轉(zhuǎn)子按順時針方向轉(zhuǎn)動，而B相磁拉力卻起阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動的作用，即起到一定的電磁阻尼作用，所以電機(jī)工作比較平穩(wěn)。而在三相單三拍運(yùn)行時不存在這種電磁阻尼作用，所以轉(zhuǎn)子達(dá)到新的平衡位置時容易產(chǎn)生振蕩，運(yùn)行穩(wěn)定性不如三相雙三拍運(yùn)行方式。圖8-7三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理圖

8.2.3三相單雙六拍

三相單雙六拍運(yùn)行中的“單”即一相通電，“雙”即兩相通電，“單雙”指的是一相通電和兩相通電交替進(jìn)行，繞組的通電方式為A→AB→B→BC→C→CA→A或A→AC→C→CB→B→BA→A，完成一個循環(huán)需要改變六次通電狀態(tài)。下面以A→AB→B→BC→C→CA→A通電方式為例說明三相單雙六拍運(yùn)行下步進(jìn)電機(jī)的原理。當(dāng)A相繞組通電時和單三拍運(yùn)行的情況相同，如圖8-6(a)所示。當(dāng)A、B兩相同時通電時和雙三拍運(yùn)行的情況相同，如圖8-7(a)所示。

對比圖8-6(a)和圖8-7(a)可以得出，轉(zhuǎn)子只按順時針方向轉(zhuǎn)過15°，當(dāng)斷開A相使B相單獨(dú)接通，轉(zhuǎn)子繼續(xù)按順時針方向又轉(zhuǎn)過15°，如圖8-6(b)所示。依次類推，若繼續(xù)按BC→C→CA→A的順序通電，步進(jìn)電機(jī)就一步一步地按順時針方向轉(zhuǎn)動。若通電順序變?yōu)锳→AC→C→CB→B→BA→A，則步進(jìn)電機(jī)按逆時針方向旋轉(zhuǎn)?？梢娏倪\(yùn)行時，步距角為15°，即θb=15°，比三拍運(yùn)行時減小一半。因此，對于同一臺步進(jìn)電機(jī)，采用不同的通電方式，可以有不同的拍數(shù)，對應(yīng)運(yùn)行時的步距角也不同。

對于上述結(jié)構(gòu)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，它的步距角較大，常常滿足不了系統(tǒng)精度的要求。實(shí)際采用的步進(jìn)電機(jī)的步距角多為3°和1.5°，步距角小，電機(jī)加工的精度高。為產(chǎn)生小步距角，定、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，如圖8-8所示。圖8-8中定子每個極面上有5個齒，轉(zhuǎn)子上均勻分布40個齒，定、轉(zhuǎn)子的齒寬和齒距都相同。轉(zhuǎn)子齒距對應(yīng)的機(jī)械角度(空間幾何角度)等于360°/40=9°，齒槽和齒寬分別為4.5°。定子相鄰磁極間的轉(zhuǎn)子齒數(shù)為

式中，Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，p

為定子繞組的磁極對數(shù)，m

為相數(shù)。圖8-8小步距角步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

由于定子相鄰磁極間的轉(zhuǎn)子齒數(shù)不是整數(shù)，因此當(dāng)A相繞組通電時，轉(zhuǎn)子受到磁阻轉(zhuǎn)矩的作用，使轉(zhuǎn)子齒的軸線和定子齒的軸線對齊。這時，B相的轉(zhuǎn)子齒軸線和定子齒軸線必然錯開1/3齒距，機(jī)械角度為3°；C相的轉(zhuǎn)子齒軸線和定子齒軸線錯開2/3齒距，機(jī)械角度為6°，如圖8-9所示。圖8-9小步距角步進(jìn)電機(jī)原理圖(展開)

由分析可知：

(1)轉(zhuǎn)子齒數(shù)Zr

與相數(shù)m

和一相繞組通電時在圓周上形成的磁極對數(shù)p

之間有確定關(guān)系，不能任意選取。定子圓周上屬于同一相的極總是成對出現(xiàn)的，所以轉(zhuǎn)子齒數(shù)應(yīng)是偶數(shù)。另外，為了獲得連續(xù)不斷的步進(jìn)運(yùn)動，要求在不同相的磁極下，定子齒和轉(zhuǎn)子齒的相對位置應(yīng)依次錯開1/m齒距，即

式中，k

為正整數(shù)。

(2)步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電一個循環(huán)，定子磁場旋轉(zhuǎn)過360°，而轉(zhuǎn)子僅轉(zhuǎn)動一個齒距，相當(dāng)于空間上轉(zhuǎn)過360°/Zr

機(jī)械角度。那么假設(shè)N為運(yùn)行拍數(shù)，每運(yùn)行一拍，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度只是齒距的1/N，因此步距角θb

為

式中，N=Cm，C

為通電狀態(tài)系數(shù)。當(dāng)采用單拍或雙拍運(yùn)行方式時，C=1；當(dāng)采用單雙拍運(yùn)行方式時，C=2。

(3)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)可以按特定指令旋轉(zhuǎn)某一角度而進(jìn)行單步步進(jìn)控制，也可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動而實(shí)現(xiàn)速度控制。步進(jìn)控制時，每輸入一個脈沖，定子繞組就換接一次，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(jìn)電機(jī)繞組中送入的是連續(xù)脈沖，各相繞組不斷地輪流通電，步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。

由式(8-3)可知，每輸入一個脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度是整個圓周角的也就是轉(zhuǎn)過因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(每分鐘所轉(zhuǎn)過的圓周數(shù))為

式中，f為脈沖頻率，即每秒輸入的脈沖數(shù)。

由式(8-4)可見，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運(yùn)行拍數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒數(shù)一定時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，或者說轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和脈沖頻率同步，改變脈沖頻率可以改變轉(zhuǎn)速，進(jìn)行無級調(diào)速，其調(diào)速范圍很寬廣。另外，若改變通電順序，即改變定子磁場旋轉(zhuǎn)方向，則可以控制正反轉(zhuǎn)。

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速還可以用步距角來表示，將式(8-4)進(jìn)行變換，可得

(4)步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力。當(dāng)控制脈沖停止輸入，而保持最后一個脈沖控制的繞組繼續(xù)通電時，步進(jìn)電機(jī)將保持在固定位置上，即具有自鎖能力。

8.3步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性

8.3.1靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性

1.矩角特性矩角特性是指不改變通電狀態(tài)(也就是控制繞組的電流不變)時，步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩

T與轉(zhuǎn)子失調(diào)角θ的關(guān)系，即T=f(θ)。失調(diào)角是指步進(jìn)電機(jī)偏離初始穩(wěn)定平衡位置(步進(jìn)電機(jī)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)的電角度。在反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子一個齒距所對應(yīng)的電角度應(yīng)為2π。

靜轉(zhuǎn)矩的正方向取θ增大的方向。當(dāng)一相通電，該極下定、轉(zhuǎn)子正好對齊，即θ

等于0時，靜轉(zhuǎn)矩T等于0，如圖8-10(a)所示；當(dāng)轉(zhuǎn)子齒正對定子槽中間，即θ等于π時，靜轉(zhuǎn)矩T

也為0，如圖8-10(b)所示；當(dāng)θ大于0時，靜轉(zhuǎn)矩T

大于0，如圖8-10(c)所示；同理亦可推出當(dāng)θ小于0時，靜轉(zhuǎn)矩T

小于0。圖8-10不同失調(diào)角時的靜轉(zhuǎn)矩狀態(tài)

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩可由電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理得出。若不計電機(jī)磁路鐵芯部分磁場能量變化的影響，則只需考慮氣隙磁場能量的變化；若忽略定、轉(zhuǎn)子鐵芯中的磁位

降，則每極控制繞組的磁動勢即是電機(jī)單邊氣隙磁動勢；若忽略氣隙比磁導(dǎo)中諧波的影響，則可得出步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系(即矩角特性)為

式中，Zs

為定子每極齒數(shù)，Zr

為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，L

為步進(jìn)電機(jī)鐵芯長度，F(xiàn)δ

為單邊氣隙磁動勢，λ1

為氣隙比磁導(dǎo)中的基波分量。

由式(8-6)可知，單相通電時矩角特性為正弦波形，如圖8-11所示。由圖8-11可知，在靜轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子有一定的穩(wěn)定平衡點(diǎn)。若電機(jī)空載，則穩(wěn)定平衡點(diǎn)對應(yīng)于θ=0處，而θ=±π處為步進(jìn)電機(jī)的不穩(wěn)定平衡點(diǎn)。兩個不穩(wěn)定平衡點(diǎn)之間的區(qū)域(即-π<θ<π)構(gòu)成靜穩(wěn)定區(qū)。圖8-11步進(jìn)電機(jī)的矩角特性

2.最大靜轉(zhuǎn)矩特性

在矩角特性中，靜轉(zhuǎn)矩(絕對值)的最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。由圖8-11可知，當(dāng)一相控制繞組通電時，在θ=±π/2時有最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax，即

當(dāng)多相控制繞組同時通電時，最大靜轉(zhuǎn)矩為

式中，K

為轉(zhuǎn)矩增大系數(shù)。當(dāng)兩相控制繞組同時通電時，

K=2cos(π/m)；當(dāng)三相控制繞組同時通電時，K=1+cos(π/m)。

在一定通電狀態(tài)下，最大靜轉(zhuǎn)矩與控制繞組內(nèi)電流的關(guān)系，即

Tmax=f(I)，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩特性，由式(8-8)可看出，當(dāng)電機(jī)磁路不飽和時，最大靜轉(zhuǎn)矩

Tmax與控制繞組中電流I的二次方成正比。當(dāng)電流稍大時，由于受到磁路飽和的影響，單邊氣隙磁動勢Fδ

增加變慢，最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax的上升就低于電流的二次方；當(dāng)電流很大時，由于磁路過飽和，F(xiàn)δ增加很少，Tmax也就基本不變，呈飽和狀態(tài)。最大靜轉(zhuǎn)矩特性如圖8-12所示。圖8-12最大靜轉(zhuǎn)矩特性

3.矩角特性族

不同通電狀態(tài)的矩角特性的總和稱為步進(jìn)電機(jī)的矩角特性族。如果將一臺轉(zhuǎn)子齒數(shù)Zr=2的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(如圖8-13(a)所示)的失調(diào)角θ的坐標(biāo)軸統(tǒng)一取在A相磁極的中心線上，電機(jī)以三相單三拍方式(A→B→C→A通電方式)運(yùn)行，那么A相通電時矩角特性如圖8-13(b)中的曲線a所示，穩(wěn)定平衡點(diǎn)為OA點(diǎn)；B相通電時，轉(zhuǎn)子空載時的穩(wěn)定平衡點(diǎn)為OB處，即θ=2/3π，矩角特性如圖8-13(b)中的曲線b

所示；C相通電時的矩角特性如圖8-13(b)中的曲線c所示。同理，可以得到電機(jī)以三相單雙六拍方式(A→AB→B→BC→C→CA→A通電方式)運(yùn)行時的矩角特性族，如圖8-13(c)所示。圖8-13步進(jìn)電機(jī)和其對應(yīng)不同通電狀態(tài)下的矩角特性族圖8-13步進(jìn)電機(jī)和其對應(yīng)不同通電狀態(tài)下的矩角特性族圖8-13步進(jìn)電機(jī)和其對應(yīng)不同通電狀態(tài)下的矩角特性族

8.3.2單脈沖運(yùn)行

步進(jìn)電機(jī)的單脈沖運(yùn)行是指步進(jìn)電機(jī)在單相或多相通電狀態(tài)下，僅改變一次通電狀態(tài)的運(yùn)行方式，或輸入脈沖頻率非常低，以至于加第二脈沖之前，前一步已經(jīng)走完，轉(zhuǎn)子運(yùn)行已經(jīng)停止的運(yùn)行方式。

1.動穩(wěn)定區(qū)

動穩(wěn)定區(qū)是指步進(jìn)電機(jī)輸入單脈沖時，電機(jī)從一種通電狀態(tài)切換到另一種通電狀態(tài)時，不致引起失步的區(qū)域，如圖8-14所示。步進(jìn)電機(jī)初始狀態(tài)時的矩角特性如圖8-14中曲線“0”所示。圖8-14動穩(wěn)定區(qū)

若電機(jī)空載，則轉(zhuǎn)子處于穩(wěn)定平衡點(diǎn)O0

處。輸入一個脈沖，電機(jī)的通電狀態(tài)改變后，矩角特性變?yōu)閳D8-14中曲線“1”，轉(zhuǎn)子新的穩(wěn)定平衡點(diǎn)為O1。在改變通電狀態(tài)時，只有當(dāng)轉(zhuǎn)子起始位置位于a、b

之間時才能使它向O1

點(diǎn)運(yùn)動，達(dá)到穩(wěn)定平衡位置。因此，區(qū)間(a，b)稱為電機(jī)空載時的動穩(wěn)定區(qū)，用失調(diào)角表示為

式中，θse為用電角度表示的步距角，θse=Zrθb。

動穩(wěn)定區(qū)的邊界a

點(diǎn)到初始穩(wěn)定平衡位置O0

點(diǎn)的區(qū)域稱為裕量角，記為θr。裕量角越大，電機(jī)運(yùn)行越穩(wěn)定。若裕量角的值趨于零，則電機(jī)不能穩(wěn)定工作，也就沒有帶負(fù)載的能力。裕量角用電角度表示為

2.最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩(啟動轉(zhuǎn)矩)Tst

步進(jìn)電機(jī)在負(fù)載情況下，若負(fù)載轉(zhuǎn)矩為

TL1，則初始狀態(tài)時電機(jī)的穩(wěn)定平衡位置對應(yīng)于圖8-15(a)中曲線“0”上的O'0

點(diǎn)。

若負(fù)載轉(zhuǎn)矩相當(dāng)大，值為TL2，初始狀態(tài)時電機(jī)的穩(wěn)定平衡位置對應(yīng)于圖8-15(b)中曲線“0”上的O″0點(diǎn)。圖8-15最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩

由以上分析可知，步進(jìn)電機(jī)能帶動的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩要比最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax小。從圖8-15可以看出，電機(jī)能帶動的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩值可由矩角特性族上相鄰的兩條矩角特性曲線的交點(diǎn)決定，即圖8-15中的s點(diǎn)。Tst是最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，有時也稱它為步進(jìn)電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩。

若矩角特性曲線為幅值相同的正弦波形時，則可得出

Tst是步進(jìn)電機(jī)能帶動的負(fù)載轉(zhuǎn)矩極限值。在實(shí)際運(yùn)行時，電機(jī)具有一定的轉(zhuǎn)速，因此，最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩值還將有所減小，通常應(yīng)使折合到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=(0.3~0.5)Tmax。

8.3.3連續(xù)脈沖運(yùn)行

步進(jìn)電機(jī)的連續(xù)脈沖運(yùn)行和連續(xù)的單脈沖運(yùn)行類似，其主要特點(diǎn)如下。

1.啟動頻率

步進(jìn)電機(jī)的啟動頻率fst是指在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下能夠不失步地啟動脈沖的最高頻率，它是步進(jìn)電機(jī)的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。影響步進(jìn)電機(jī)啟動頻率的因素有以下幾個。

(1)電機(jī)能啟動的最短脈沖間隔時間。電機(jī)能啟動的最短脈沖間隔時間tf

可決定電機(jī)的啟動頻率，且

(2)電機(jī)的步距角。電機(jī)的相數(shù)及運(yùn)行的拍數(shù)越多，步距角就越小，進(jìn)而使裕量角越大，進(jìn)入動穩(wěn)定區(qū)越容易，電機(jī)的啟動頻率也就越高。

(3)最大靜轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩越大，作用于電機(jī)轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩也越大，使加速度越大，轉(zhuǎn)子達(dá)到動穩(wěn)定區(qū)所需時間也就越短，啟動頻率越高。

(4)轉(zhuǎn)子齒數(shù)。轉(zhuǎn)子齒數(shù)增多，步距角就減小，故啟動頻率也隨之增高。

(5)轉(zhuǎn)動慣量。電機(jī)轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量(包括轉(zhuǎn)子本身及負(fù)載)越小，同樣的電磁轉(zhuǎn)矩下產(chǎn)生的角加速度就越大，越容易進(jìn)入動穩(wěn)定區(qū)，啟動頻率也越高。

(6)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時，使作用在轉(zhuǎn)子上的加速轉(zhuǎn)矩減小，啟動頻率也將降低。

(7)電路時間常數(shù)。電路時間常數(shù)增大，控制繞組中電流的上升速度變慢，使電磁轉(zhuǎn)矩變小，啟動頻率也有所降低。

(9)電機(jī)的內(nèi)部或外部阻尼轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的內(nèi)部或外部阻尼轉(zhuǎn)矩增大時，相當(dāng)于負(fù)載轉(zhuǎn)矩有所增加，相應(yīng)地使啟動頻率降低。

2.啟動特性

1)啟動矩頻特性

當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量J

為常數(shù)時，啟動頻率fst和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL

之間的關(guān)系，即fst=f(TL)，稱為啟動矩頻特性，如圖8-16中的曲線1所示。圖8-16步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性

2)啟動慣頻特性

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL

為常數(shù)時，啟動頻率fst和轉(zhuǎn)動慣量J(主要是負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量)之間的關(guān)系，即fst=f(J)，稱為啟動慣頻特性，如圖8-17所示。圖8-17步進(jìn)電機(jī)的啟動慣頻特性

3.連續(xù)運(yùn)行特性

步進(jìn)電機(jī)啟動后，當(dāng)控制脈沖頻率連續(xù)上升時，能不失步運(yùn)行的最高頻率fsuc稱為該電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行頻率。連續(xù)運(yùn)行頻率與輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時的矩頻特

性，如圖8-16中的曲線2所示。連續(xù)運(yùn)行時的矩頻特性為一條下降的曲線。

在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，提高連續(xù)運(yùn)行頻率的主要方法是減小控制繞組中的電流。為了提高連續(xù)運(yùn)行頻率，通常采用以下兩種方法：一是在控制繞組電路中串入電阻，并相應(yīng)提

高電源的電壓；二是采用高、低壓驅(qū)動電路。第二種方法是在電壓脈沖的起始部分提高電壓，能夠有效地改善電流波形的前沿，從而使控制繞組中電流的上升加快，故可以大大提高電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行頻率。

步進(jìn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行頻率要比啟動頻率高得多。這是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)在啟動時除了要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩，還要滿足電機(jī)加速的要求，即要保證一定的加速轉(zhuǎn)矩。在啟動時，電機(jī)的角加速度較大，它的負(fù)載遠(yuǎn)比連續(xù)運(yùn)行時的重。若啟動時脈沖頻率稍高，電機(jī)轉(zhuǎn)速就不易跟上，會在啟動過程中發(fā)生失步。而連續(xù)運(yùn)行時，電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)，隨著脈沖頻率的升高，電機(jī)的角加速度甚小，電機(jī)便能隨之正常升速。所以步進(jìn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行頻率要高于啟動頻率。

8.4步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)、

選擇與使用

1.步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)與產(chǎn)品步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)除了相數(shù)、相繞組的額定電壓及電流，還包括以下幾種。

(1)步距角及步距角誤差。

(2)最大靜轉(zhuǎn)矩。

(3)分配方式。

(4)極限啟動頻率和運(yùn)行頻率。

(5)矩頻特性和慣頻特性。

2.步進(jìn)電機(jī)的選擇與使用

選擇步進(jìn)電機(jī)時，應(yīng)首先結(jié)合其不同類型的特點(diǎn)及所驅(qū)動負(fù)載的要求進(jìn)行選擇。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的步距角較小，啟動頻率和運(yùn)行頻率較高；但斷電時無定位力矩，需帶電定位。

永磁式步進(jìn)電機(jī)步距角較大，啟動頻率和運(yùn)行頻率較低，斷電后有一定的定位力矩，但需要雙極性脈沖勵磁。感應(yīng)子式永磁步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需雙極性脈沖供電，