第五章步进电机精选文档.ppt

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1、第五章步进电机本讲稿第一页，共二十二页第一节第一节 概述概述特点特点特点特点:(1)1)来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。(2)(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)(3)改变脉冲顺序，可改变转动方向。改变脉冲顺序，可改变转动方向。改变脉冲顺序，可改变转动方向。改变脉冲顺序，可改变转动方向。步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉信号转换为线位移或角位移

2、的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。距离。区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。进电机的转子上没有励磁线圈。进电机的转子上没有励磁线圈。进电机的转子上没有励磁线圈。种类种类：励磁式励磁式和和反应式反应式反应式反应式两种。两种。本讲稿第二页，共二十二页 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构

3、和工作原理。结构和工作原理。三相反应式步进电动机的原理结构图三相反应式步进电动机的原理结构图三相反应式步进电动机的原理结构图三相反应式步进电动机的原理结构图如下：如下：ABCIAIBIC 定子内圆周定子内圆周均匀分布着六个均匀分布着六个磁极，磁极上有磁极，磁极上有励磁绕组，每两励磁绕组，每两个相对的绕组组个相对的绕组组成一相。转子有成一相。转子有四个齿。四个齿。定子转子第二节第二节 结构和工作原理结构和工作原理本讲稿第三页，共二十二页1.1.1.1.三相单三拍三相单三拍三相单三拍三相单三拍CABBCA3412 A相绕组通电，相绕组通电，B、C相相不通电。由于在磁场作用下，不通电。由于在磁场作用

4、下，转子总是力图旋转到磁阻最转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图所示位置：转子必然转到左图所示位置：1、3齿与齿与A、A极对齐。极对齐。动画本讲稿第四页，共二十二页CABBCA3412 同理，同理，B相通电时，转子会转过相通电时，转子会转过30 角，角，2、4齿和齿和B、B 磁极轴线对齐；当磁极轴线对齐；当C相通电时，转子相通电时，转子再转过再转过30 角，角，1、3齿和齿和C、C磁极轴线对齐。磁极轴线对齐。1C342CABBA本讲稿第五页，共二十二页 这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循

5、环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。为三相单三拍工作方式。按按AB C A 的顺序给三相绕组轮流的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30(步距步距角角)，每个通电循环周期，每个通电循环周期(3拍拍)转过转过90(一个齿距角一个齿距角)。2.2.三相六拍三相六拍三相六拍三相六拍 按按AAB B BC C CA的顺序给三相绕组轮的顺序给三相绕组轮流通电。流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。这种方式可以获得更精确的控制特性。本讲稿第六页，共二十二页CABB

6、CA3412CABBCA3412 A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿与齿与A、A 对齐。对齐。A、B相同时通电，相同时通电，A、A 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，转子转齿，转子转过过15，到达左图所示位置。到达左图所示位置。本讲稿第七页，共二十二页CABBCA3412 B B 相通电，相通电，转子转子2、4齿与齿与B、B 对齐对齐,又转又转过过15。3412CABBCA B、C相同时通电，相同时通电，C、C 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，转子再转齿，转子再转过过15。本讲稿第八页，共二十二页 三相反应式步进电动机的一个

7、通电循环周三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：期如下：AAB B BC C CA，每个循每个循环周期分为六拍。每拍转子转过环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），（步距角），一一个通电循环周期个通电循环周期(6拍拍)转子转过转子转过90 (齿距角齿距角)。与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。小，更适用于需要精确定位的控制系统中。3.3.三相双三拍三相双三拍三相双三拍三相双三拍 按按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电电。每拍有两相绕组同时通电。本讲稿第九页，共

8、二十二页AB通电通电CABBCA3412BC通电通电3412CABBCACA通电通电CABBCA3412 与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循循环周期也分为三拍。每拍转子转过环周期也分为三拍。每拍转子转过30 (步距角步距角)，一一个通电循环周期个通电循环周期(3拍拍)转子转过转子转过90(齿距角齿距角)。本讲稿第十页，共二十二页 从以上对步进电机三种驱动方式的分析可从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：得步距角计算公式：步距角步距角Zr 转子齿数转子齿数m 每个通电循环周期的拍数每个通电循环周期的拍数 实用步进电机的步距角多为实用步进

9、电机的步距角多为3 和和1.5 。为了获。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，如教得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，如教材图材图10.4.4所示。图中转子表面有所示。图中转子表面有4040个齿，个齿，本讲稿第十一页，共二十二页齿距角是齿距角是9 9；定子仍是定子仍是 6 6个磁极，但每个磁极表个磁极，但每个磁极表面加工有五个和转子一样的齿。面加工有五个和转子一样的齿。步进电动机的应用非常广泛，如各种数控步进电动机的应用非常广泛，如各种数控步进电动机的应用非常广泛，如各种数控步进电动机的应用非常广泛，如各种数控机床、自动绘图仪、机器人等。机床、自动绘图仪、机器人等。机床、自动

10、绘图仪、机器人等。机床、自动绘图仪、机器人等。应用：应用：本讲稿第十二页，共二十二页一、一、运行特性及影响因素运行特性及影响因素1.1.基本特点基本特点1)工作时的步数或转速（角度控制或速度控制）只与控制脉冲同步，而与电压、负载、温度、冲击（环境条件）等因素无关。2)按控制要求进行启动、停止、反转或改变速度。3)应用广泛（在数字控制系统中）。第三节第三节运行特性运行特性本讲稿第十三页，共二十二页2.2.矩角特性矩角特性 反映步进电动机电电磁磁转转距距T随偏偏转转角角 变化的关系。1)初始平衡位置定子一相绕组通电，转子无负载转矩，转子齿与通电相磁极上小齿对齐。2)转子偏转角 （空间角）转子齿偏离

11、初始平衡位置的角度（转子有负载作用，电磁转矩与负载转矩平衡）。3)电角度 空间角度的Z倍，即 。4)矩角特性曲线 。本讲稿第十四页，共二十二页 近似一条正弦曲线。时，T达到最大静转矩 （定、转子齿错开1/4齿距）。反映了步进电动机带负载的能力（负载转矩（0.30.5）。“稳定运行”本讲稿第十五页，共二十二页3.3.脉冲信号频率对运行的影响脉冲信号频率对运行的影响(a)频率很低（接近矩形波）；(b)频率增高（波形畸变）；(c)频率很高（I 下降到 I/）。故 过高使步进电动机 启动不起来；运行时失步而停下。本讲稿第十六页，共二十二页4.4.转子机械惯性对运行的影响转子机械惯性对运行的影响1)受机

12、械惯性作用，在启动阶段，转子落后于应转过的角度，一般会跟上来，严重（）时会启动不起来。2)在运转时，因惯性作用，经过几次振荡后才停下来，严重时会引起失步。措施：措施：采用阻尼方法，消除或减弱步进电机的振荡。本讲稿第十七页，共二十二页二、二、主要性能指标和注意事项主要性能指标和注意事项1.1.主要性能指标主要性能指标 1)步距角 步进电动机的主要性能指标之一，它直接影响启动和运行频率。式中：传动比；负载轴要求的最小位移增量（或称脉冲当量）。2)最大静转矩 式中：步进电动机启动转矩；最大静负载转矩。通常取 。本讲稿第十八页，共二十二页3)空载启动频率 步进电动机在空载情况下，不失步启动所允许的最高

13、频率。在负载情况下，不失步启动所允许的最高频率随负载的增加而显著下降。4)连续运行频率 当步进电动机运行频率连续上升时，电动机不失步运行的最高频率。矩频特性是指在连续运行状态下，步进电动机的电磁力矩随频率的升高而急剧下降的特性。注：注：与负载有关；在同样负载下，与负载有关；在同样负载下，。本讲稿第十九页，共二十二页5)精度用一周内最大的步距角误差值表示。步距精度式中：负载轴上所允许的角度误差。6)输入电压U、输入电流I和相数m三项指标与驱动电源有关。本讲稿第二十页，共二十二页2.注意事项1)驱动电源的优劣对控制系统的运行影响极大。2)若负载转动惯量较大，则在低频下启动，再上升到工作频率；停车时从工作频率下降到适当频率再停车。3)在工作过程中，尽量避免由负载突变而引起的误差。4)在工作中若发生失步现象，先检查负载（是否过大）、电源电压（是否正常），再检查驱动电源输出波形（是否正常），不应随意变换元件。本讲稿第二十一页，共二十二页Thank You!本讲稿第二十二页，共二十二页