《軌道交通電機及電氣控制技術(shù)》 課件 2.4步進電機

主講教師：步進電機電脈沖信號機械角位移或直線位移步進電機步進電機

步進電機是將脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移或直線位移的一種控制電動機。步進電機每接收一個脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度（步距角）。轉(zhuǎn)子的角位移的大小和轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的數(shù)量及其頻率成正比，轉(zhuǎn)向與繞組通電的相序有關(guān)。步進電機定義反應(yīng)式永磁式混合式步進電機步進電機分類步進電機反應(yīng)式步進電機結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進電動機的定子內(nèi)圓周均勻分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成一相。轉(zhuǎn)子有四個齒。定子和轉(zhuǎn)子均為軟磁材料制成，利用磁阻的變化產(chǎn)生反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的步進電機ABCIAIBIC定子轉(zhuǎn)子步進電機反應(yīng)式步進電機工作原理ABCIAIBIC定子轉(zhuǎn)子

勵磁繞組通電后磁通經(jīng)過轉(zhuǎn)

子形成閉合回路，若磁場軸線與轉(zhuǎn)子存

在一定角度，則在磁場作用下，轉(zhuǎn)子被磁化，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使

其磁路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)子和定子的齒對齊。

轉(zhuǎn)子與定子間相對位置不同，磁路的磁阻也不同：齒-齒相對時，磁路的磁阻最?。积X-槽相對時，磁路的磁阻最大。30°步進電機反應(yīng)式步進電機工作過程現(xiàn)以A BC A的通電順序，使三相繞組輪流通入直流電流，分析轉(zhuǎn)子的運動情況“單”是指每次只有一相控制繞組通電“雙”是指每次有兩相控制繞組通電三相單、雙六拍A-AB-B-BC-C-CA-A或A-AC-C-CB-B-BA-A三相雙三拍AB-BC-CA-AB或AC-CB-BA-AC三相單三拍A-B-C-A或A-C-B-A注步進電機步進電機工作原理CBB'C'A3A'14 2a.三相單三拍“三相”指三相步進電機；“單”指每次只能一相繞組通電；“三拍”指通電三次完成一個通電循環(huán)。A相繞組通電，B、C相不通電。氣隙產(chǎn)生以A-

A′為軸線的磁場，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，故電動機轉(zhuǎn)子受到一個反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，在此轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對齊。步進電機步進電機工作原理步進電機步進電機工作原理B相通電時，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過30°角，2、4齒和B、B'磁極軸線對齊；C相通電時，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過30°角，1、3齒和C'、C磁極軸線對齊。A通B通C通CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可b.三相六拍按A

AB

B

BC C以獲得更精確的控制特性。CBB'C'A14 23A'CA'BB'C'A4132A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒與A、A'

對齊。A、B相同時通電，A、A'磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15

步進電機步進電機工作原理b.三相六拍CA'BB'C'A41324132CA'BB'C'AB相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒與B、B'對齊。B、C相同時通電，B、B'磁極拉住2、4齒，C、C'磁極拉住1、3齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15

步進電機步進電機工作原理步進電機步進電機工作原理b.三相六拍按A

AB

B

BC C

CA的順序給三相繞組輪流通電。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15°(步距角)，一個通電循環(huán)周期(6拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90°(齒距角)。與單三拍相比，六拍驅(qū)動方式的步距角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。通過改變通電順序即可實現(xiàn)改變轉(zhuǎn)向

360

Zr

mAB' C'14 2C 3 BA'Zr=40m=3，或6步進電機步進電機細分實際結(jié)構(gòu)一般步進電動機最常見的步距角是3°或1.5°。由上式可知，轉(zhuǎn)子上不只4個齒（齒距角90°），而有40個齒（齒距角為9°）。為了使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對齊，兩者

的齒寬和齒距必須相等。展開結(jié)構(gòu)

360

Zr

m步進電機步進電機細分Zr

m

360

步進電機步進電機細分步進電機的運動精度和步距角有關(guān)，

但是步距角的大小受到電機結(jié)構(gòu)的限制，而小步距角電動機加工比較困難。

為使步進電機有更小的步距角，通常采用細分步距角的方法：每次輸入脈沖切換時，不是將繞組電流全部輸入或切除，而是改變繞組中額定電流的一部分，從而使步進電機轉(zhuǎn)子在每步運動時只轉(zhuǎn)過步距角的一部分。這種將一個步距角細分為若干小步、每一小步只有步距角的一部分的驅(qū)動方法稱為細分。步進電機步進電機細分A-AB-B-BC-C-CA-A按三相六拍四細分驅(qū)動時序未細分前步距角=15度，

細分后為15/4=3.75度。步進電機步進電機細分CBB'C'A413A'2

步進電機的細分，其主要目的是提高電機的運轉(zhuǎn)精度。其次，減弱或消除步進電機的低頻振動（細分本質(zhì)是一種電子阻尼技術(shù)

），低頻振蕩是步進電機（尤其是反應(yīng)式電機）的固有特性，而細分是消除它的唯一途徑，如果步進電機有時要在共振區(qū)工作，選擇細分是唯一的選擇。

“阻尼”是指在振動系統(tǒng)，由于外界作用或系統(tǒng)本身固有的原因引起的振動幅度逐漸下降的特性。

例如：某步進電機“固有步距角”=1.8。，脈沖頻率=200Hz，則電機轉(zhuǎn)速為1轉(zhuǎn)/秒，該轉(zhuǎn)速為工作轉(zhuǎn)速，對應(yīng)頻率正好位于步進電機的共振區(qū)域內(nèi)，電機工作時出現(xiàn)振動。

如何保證電機轉(zhuǎn)速仍然為1轉(zhuǎn)/秒，且不出現(xiàn)共振現(xiàn)象呢？

選擇細分是唯一的選擇：例如，采用4細分后，實際步距角=

1.8。/4=0.45。，保證電機轉(zhuǎn)速仍為１轉(zhuǎn)／秒，則脈沖頻率=800Hz，進而避開200Hz的共振點。

細分后的主要優(yōu)點為：完全消除了電機的低頻振蕩；提高了電機的輸出轉(zhuǎn)矩，尤其是對三相反應(yīng)式電機，其力矩比不細分時提高約30-40%

；提高了電機的分辨率，由于減小了步距角、提高了步距的均勻度。步進電機步進電機細分A一拍：一

相通電狀態(tài)到另一相通電狀態(tài)的變換B 步距角：每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度360mZC

θ-----步距角m----拍數(shù)Z-----轉(zhuǎn)子的齒數(shù)C-----通電狀態(tài)系數(shù)單拍或雙拍工作時C＝1

單、雙混合工作時C＝2步距角公式步進電機步進電機基本概念轉(zhuǎn)速改變?nèi)嗫刂评@組ABC通、斷電源的頻率轉(zhuǎn)向改變?nèi)嗬@組ABC的通電順序f----步進電機每秒的步數(shù)（或每秒的拍數(shù)），稱為步進電機的通電脈沖頻率。60

f

mZCn

步進電機轉(zhuǎn)速步進電機步進電機基本概念步進電機步進電機驅(qū)動器脈沖數(shù)=拍數(shù)角位移量定位位置控制脈沖頻率速度和加速度調(diào)速速度控制步距角： 轉(zhuǎn)子齒數(shù)運行拍數(shù)細分脈沖控制方向控制細分步進電機步進電機驅(qū)動器步進電機驅(qū)動器安裝與接線步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為機械運動的特種電機，每接收到一個脈沖信號就轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”。步進電機在使用時，必須配合步進驅(qū)動器，這是因為步進電機無法直接接收脈沖信號來控制其運動，必須通過驅(qū)動器來將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，從而使其能夠正常工作。下面我們以步科（Kinco）三相步進電機（3S57Q-04079）和步科驅(qū)動器（3M458）為例，介紹步進電機和步進驅(qū)動器的一般接線。步進電機步進電機驅(qū)動器安裝與接線步科（Kinco）三相步進電機（3S57Q-04079）的步距角在整步方式下為1.8°，半步方式下為0.9°，其部分技術(shù)參數(shù)如表4-1所示。表4-13S57Q-04079部分技術(shù)參數(shù)參數(shù)名稱步距角相電流（A）保持扭矩阻尼扭矩電機慣量參數(shù)值1.8°5.8A1.0Nm0.04Nm0.3kg.cm2步科三相步進電機（3S57Q-04079）步進電機驅(qū)動器安裝與接線不同的步進電機的接線有所不同，3S57Q-04079接線圖如圖4-4所示，三個相繞組的六根引出線，必須按頭尾相連的原則連接成三角形。線色電機信號紅色U橙色藍色V白色黃色W綠色圖4-43S57Q-04079的接線步進電機驅(qū)動器安裝與接線在3M458步進驅(qū)動器的側(cè)面連接端子中間有一個紅色的八位DIP功能設(shè)定開關(guān)，可以用來設(shè)定驅(qū)動器的工作方式和工作參數(shù)，包括細分設(shè)置、靜態(tài)電流設(shè)置和運行電流設(shè)置。步科驅(qū)動器（3M458）圖4-53M458DIP開關(guān)功能劃分說明步進電機驅(qū)動器安裝與接線步科驅(qū)動器（3M458）表4-2細分設(shè)置表DIP1DIP2DIP3細分ONONON400步/轉(zhuǎn)ONONOFF500步/轉(zhuǎn)ONOFFON600步/轉(zhuǎn)ONOFFOFF1000步/轉(zhuǎn)OFFONON2000步/轉(zhuǎn)OFFONOFF4000步/轉(zhuǎn)OFFOFFON5000步/轉(zhuǎn)ONOFFOFF10000步/轉(zhuǎn)表4-3輸出電流設(shè)置表DIP5DIP5DIP5DIP5輸出電流OFFOFFOFFOFF3.0AOFFOFFOFFON4.0AOFFOFFONON4.6AOFFONONON5.2AONONONON5.8A步進電機驅(qū)動器安裝與接線步科（Kinco）三相步進電機（3S57Q-04079）的步距角為1.8度，即