控制电机第八章优秀PPT.ppt

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1、控制电机第八章你现在浏览的是第一页，共69页 图图8.0.1 步进电动机的控制特性步进电动机的控制特性 步进电动机的角位移量步进电动机的角位移量或线位移量或线位移量S S与脉冲的个数与脉冲的个数k k成正比，其转速成正比，其转速n n或线或线速度速度v v与脉冲的频率成正比如图所示。与脉冲的频率成正比如图所示。你现在浏览的是第二页，共69页 与交直流电动机不同，步进电动机需要专门的电源和驱动器与交直流电动机不同，步进电动机需要专门的电源和驱动器(包括包括环形分配器环形分配器)，使定子磁极上的控制绕组按顺序依次通电，在定子和转，使定子磁极上的控制绕组按顺序依次通电，在定子和转子的气隙空间里形成步

2、进式磁极轴旋转，转子则在电磁转矩作用下实现子的气隙空间里形成步进式磁极轴旋转，转子则在电磁转矩作用下实现步进式旋转。目前，环形分配器和输入控制回路的职能都由微处理机来步进式旋转。目前，环形分配器和输入控制回路的职能都由微处理机来完成，而且分配方式更加灵活，控制功能可以更加复杂，还可以具有各完成，而且分配方式更加灵活，控制功能可以更加复杂，还可以具有各种判断功能。可以说，正是由于微型汁算机的应用与普及，才使得步进种判断功能。可以说，正是由于微型汁算机的应用与普及，才使得步进电动机在现代各种控制电机中应用最为广泛。电动机在现代各种控制电机中应用最为广泛。你现在浏览的是第三页，共69页你现在浏览的是

3、第四页，共69页步步 进进 电电 动动 机机控制系统对步进电动机的基本要求：控制系统对步进电动机的基本要求：步进电动机在电脉冲的控制下能迅速起动、正反转、停转及在很宽的范围步进电动机在电脉冲的控制下能迅速起动、正反转、停转及在很宽的范围内进行转速调节。内进行转速调节。加工精度高，即要求一个脉冲对应的位移量小，并要准确、均匀。加工精度高，即要求一个脉冲对应的位移量小，并要准确、均匀。这就要求步进电动机步距小，步距精度高，不得丢步或越步。这就要求步进电动机步距小，步距精度高，不得丢步或越步。动作快速。即不仅起动、停步、反转快，并能连续高速运转以提高劳动动作快速。即不仅起动、停步、反转快，并能连续高

4、速运转以提高劳动生产率。生产率。输出转矩大，可直接带动负载。输出转矩大，可直接带动负载。你现在浏览的是第五页，共69页(1)反应式反应式步进电动机步进电动机 又称又称磁阻磁阻式式步进电动机，这是步进电动机步进电动机，这是步进电动机中结构最为简单、应用最为广泛中结构最为简单、应用最为广泛的一种，其结构特点是定子有若的一种，其结构特点是定子有若干对干对(至少三对至少三对)磁极，其上装有磁极，其上装有控制绕组，极靴处带有均匀分布控制绕组，极靴处带有均匀分布的小齿转子则是圆周向上有均的小齿转子则是圆周向上有均布小齿而无任何绕组，图示出了布小齿而无任何绕组，图示出了典型的四相反应式步进电动机的典型的四相

5、反应式步进电动机的结构。无论是定子磁极，还是转结构。无论是定子磁极，还是转子铁心，均由软磁材料的冲片叠子铁心，均由软磁材料的冲片叠制而成。制而成。典型结构和工作原理典型结构和工作原理8.18.1步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理你现在浏览的是第六页，共69页(2)永磁式永磁式步进电动机步进电动机 永磁永磁式步进电动机的特点是转子式步进电动机的特点是转子由一对或多对极的星形永久由一对或多对极的星形永久磁铁组成，定子上相应有二磁铁组成，定子上相应有二相或多相控制绕组。转子永相或多相控制绕组。转子永久磁铁磁极数与定子每相控久磁铁磁极数与定子每相控制绕组的极数对应相等，且制绕组的极数对应相等，且

6、通常两者的极宽也相同，典通常两者的极宽也相同，典型的结构如图所示。型的结构如图所示。8.18.1步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理典型结构和工作原理典型结构和工作原理你现在浏览的是第七页，共69页(3)永磁感应式永磁感应式步进电动机步进电动机 这种步进电动机无论是从结构，还是从运行原理来这种步进电动机无论是从结构，还是从运行原理来看，都具有反应式和看，都具有反应式和永永磁式的综合特点。它的结构形式是定子具有与反应式步磁式的综合特点。它的结构形式是定子具有与反应式步进电动机类似的结构，即带小齿的磁极上装有集中的控制绕组；转子则是由环进电动机类似的结构，即带小齿的磁极上装有集中的控制绕组；转

7、子则是由环形永久磁铁且两端罩上二段帽式铁心构成。这两段铁心象反应式步进电动机那形永久磁铁且两端罩上二段帽式铁心构成。这两段铁心象反应式步进电动机那样，也带有均布小齿，但两者装配位置的特点是从轴向看去彼此相互错开半个样，也带有均布小齿，但两者装配位置的特点是从轴向看去彼此相互错开半个齿距。定子常制成四相八极，典型结构如图所示。齿距。定子常制成四相八极，典型结构如图所示。典型结构和工作原理典型结构和工作原理你现在浏览的是第八页，共69页 按结构分，步进电动机有上述反应式、永磁式、永按结构分，步进电动机有上述反应式、永磁式、永磁感应式三种，其中反应式步进电动机应用最广，结构磁感应式三种，其中反应式步

8、进电动机应用最广，结构也简单，因此下面仅介绍其工作原理和基本特性。也简单，因此下面仅介绍其工作原理和基本特性。8.1 8.1 反应式步进电动机的工作原理反应式步进电动机的工作原理你现在浏览的是第九页，共69页 如假定电动机理想空载，则当如假定电动机理想空载，则当A相绕组通电，相绕组通电，B和和C相不通电时，由于磁力相不通电时，由于磁力线具有力图沿磁阻最小路径闭合的特点，将使转子齿线具有力图沿磁阻最小路径闭合的特点，将使转子齿1、3的轴线与定子的轴线与定子A相齿相齿(极极)的轴线对齐，如图的轴线对齐，如图8.1.2(a)所示。磁通路径在图中以虚线表示。之后，切断所示。磁通路径在图中以虚线表示。之

9、后，切断A相电源，仅由相电源，仅由B相通电时，同样原因，此时转子在电磁力矩的作用下，逆时针相通电时，同样原因，此时转子在电磁力矩的作用下，逆时针转过一个角度转过一个角度qb使转子齿使转子齿2、4的轴线与定子的轴线与定子B相的齿轴线对齐，如图相的齿轴线对齐，如图8.1.2(b)所示。再换接成仅有所示。再换接成仅有C相通电时，转子又转过相通电时，转子又转过qb角，使转子齿角，使转子齿1、3的轴线和定子的轴线和定子C相齿的轴线对齐，如图相齿的轴线对齐，如图8.1.2(c)所示。如此往复循环，始终所示。如此往复循环，始终按按ABCA顺序轮流通电，步进电动机转子就会一步一步地按逆时针顺序轮流通电，步进电

10、动机转子就会一步一步地按逆时针方向连续转动，每步转角均为方向连续转动，每步转角均为qb。qb是转子每步转过的空间机械角，称为步距是转子每步转过的空间机械角，称为步距角角。定义相邻两个转于齿之间的夹角为齿距角，记作定义相邻两个转于齿之间的夹角为齿距角，记作qt。一般情况下，定子一般情况下，定子有有m相绕组，如每次仅一相通电那么相绕组，如每次仅一相通电那么通电一个循环通电一个循环，由图，由图8.1.2可见，可见，转转子正好转过一个齿距角子正好转过一个齿距角qt。因此，在此情况下，步距角因此，在此情况下，步距角qb为为8.1.1三相单三拍制通电方式三相单三拍制通电方式你现在浏览的是第十页，共69页

11、图图8.1.2 三相单三拍运行三相单三拍运行典型结构和工作原理典型结构和工作原理 反应式反应式(磁阻式磁阻式)步进电动机的工作原理是利用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻之步进电动机的工作原理是利用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的磁阻转矩（又称反应转矩）而转动的。差所引起的磁阻转矩（又称反应转矩）而转动的。你现在浏览的是第十一页，共69页 当改变三相单三拍通电的次序为当改变三相单三拍通电的次序为ACBA时，从工作原理分析可知此时，从工作原理分析可知此时步进电动机转子的转向将变为相反，即顺时针方向时步进电动机转子的转向将变为相反，即顺时针方向。若用若用Np表示每转转子步数，则表示每转转子步数，则在

12、图在图 中，定子齿和槽沿定子圆周等距离均匀分布中，定子齿和槽沿定子圆周等距离均匀分布，Zr4，m3，则有则有 上述按上述按ABCA顺序的通电方式，称为三相单三拍运行，三相指定子顺序的通电方式，称为三相单三拍运行，三相指定子三相绕组；三相绕组；“单单”是指每次只有一相绕组通电；是指每次只有一相绕组通电；“拍拍”是指通电一个循环，定是指通电一个循环，定子绕组改变通电方式的次数子绕组改变通电方式的次数(通电状态数通电状态数)。你现在浏览的是第十二页，共69页 如通电顺序为如通电顺序为AABBBCCCAA，即一个通电循环中定子，即一个通电循环中定子绕组绕组6次改变通电方式，称为三相六拍制，对次改变通电

13、方式，称为三相六拍制，对m相绕组称为相绕组称为2m拍制。分析拍制。分析此时步进电动机的工作可见，当此时步进电动机的工作可见，当A相单独通电时，转于齿相单独通电时，转于齿1、3的轴线与定的轴线与定子子A相齿轴线对齐，如图相齿轴线对齐，如图8.1.3(a)所示。当所示。当A、B相同时通电时，转子的位相同时通电时，转子的位置应使定子置应使定子A、B两磁极所形成的两路磁通，在气隙所遇到的磁阻达到同两磁极所形成的两路磁通，在气隙所遇到的磁阻达到同程度的最小。这样定子相邻两极程度的最小。这样定子相邻两极A、B与转子齿相互作用的电磁力大小相与转子齿相互作用的电磁力大小相等，方向相反，使转子处于平衡状态，如图

14、等，方向相反，使转子处于平衡状态，如图8.1.3(b)所示。此时转子在空所示。此时转子在空间逆时针转过一个步距角间逆时针转过一个步距角qb(15o)。当再换接成。当再换接成B相单独通电时，在电磁相单独通电时，在电磁力的作用下，转子逆时针方向又转过一个步距角力的作用下，转子逆时针方向又转过一个步距角qb(15o)，使转子齿使转子齿2、4的轴线与定子的轴线与定子B齿轴线对齐，如图齿轴线对齐，如图8.1.3(c)所示。若按所示。若按BCCCA顺序继续通电，则步进电动机也将按逆时针方向继续转动。如改顺序继续通电，则步进电动机也将按逆时针方向继续转动。如改变通电程序为变通电程序为AACCCBBBAA，则

15、步进电动机的转，则步进电动机的转向将变为顺时针方向。向将变为顺时针方向。8.1.2 三相六拍制通电方式三相六拍制通电方式你现在浏览的是第十三页，共69页典型结构和工作原理典型结构和工作原理图图8.1.3三相六拍运行三相六拍运行a）A相通电相通电 b）A、B通电通电 c）B相通电相通电 d）B、C通电通电你现在浏览的是第十四页，共69页对图示的三相四极步进电动机，当对图示的三相四极步进电动机，当2m拍制运行时，拍制运行时，从图中可看出，与前述的单从图中可看出，与前述的单m拍制运行相比，拍制运行相比，2m拍制运行时，转子每步转拍制运行时，转子每步转过的步距角仅为前者的一半，即步距角即为过的步距角仅

16、为前者的一半，即步距角即为每转步数为每转步数为(不是运行拍数不是运行拍数N，运行拍数，运行拍数N=m或或2m)你现在浏览的是第十五页，共69页 三相双三柏制运行时，通电方式为三相双三柏制运行时，通电方式为ABBCCAABABBCCAAB，或，或ACCBBAACACCBBAAC。此时，任何时刻都有两相定子绕组同时通电，。此时，任何时刻都有两相定子绕组同时通电，通电一个循环为三拍通电一个循环为三拍(m(m相为相为m m拍拍)。从上面分析可知，此时每改变。从上面分析可知，此时每改变一次通电顺序，转子转过的步距角一次通电顺序，转子转过的步距角qb和每转步数与单和每转步数与单m m拍制完全拍制完全相同。

17、相同。8.1.38.1.3三相双三拍制通电方式三相双三拍制通电方式 三相六拍运行时转子每步转过的角度比三相三拍运行时要小一半，因三相六拍运行时转子每步转过的角度比三相三拍运行时要小一半，因此一台步进电动机采用不同的供电方式，步距角可有二种不同的数值，如此一台步进电动机采用不同的供电方式，步距角可有二种不同的数值，如上面这台三相步进电动机三拍时步距角为上面这台三相步进电动机三拍时步距角为300，六拍时为，六拍时为150。你现在浏览的是第十六页，共69页 图图8-88-88.1.4 基基 本本 特特 点点 1步步进进电电动动机机工工作作时时每每相相绕绕组组不不是是恒恒定定地地通通电电，而而是是通通

18、过过“环环形形分分配配器器”按按一一定定的的规规律律轮轮流流通通电电。环环形形分分配配器器输输出出的的各各路路脉脉冲冲电电压压信信号号，经经过过各各自自的的放放大大器器放放大大后后送送到到步步进进电电动动机机的的各各相相绕绕组组，使使步步进进电电动动机机一步一步转动。一步一步转动。根据上述的工作原理可以归纳步进电动机的基本特点如下：根据上述的工作原理可以归纳步进电动机的基本特点如下：你现在浏览的是第十七页，共69页2.步进电动机这种轮流通电的方式称为步进电动机这种轮流通电的方式称为“分配方式分配方式”。每循环一每循环一次所包含的通电状态数次所包含的通电状态数N称为称为“状态数状态数”或或“拍数

19、拍数”。状态数等于相数的称为状态数等于相数的称为单拍制单拍制分配方式。状态数等于相数的两分配方式。状态数等于相数的两倍的称为倍的称为双拍制双拍制分配方式。分配方式。8.1.4 基基 本本 特特 点点 不管分配方式如何，每循环一次，控制脉冲不管分配方式如何，每循环一次，控制脉冲Uk的个数总等于的个数总等于拍数拍数N，而加在每相绕组上的脉冲电压（或电流）的个数却，而加在每相绕组上的脉冲电压（或电流）的个数却等于一，因而控制脉冲频率等于一，因而控制脉冲频率f 是每相脉冲电压（或电流）频率是每相脉冲电压（或电流）频率f 相的相的N倍，即倍，即 f相相=f/N你现在浏览的是第十八页，共69页 转子相邻两

20、个齿间的夹角为转子相邻两个齿间的夹角为：t t=360o/Z/Zr r 每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角 b=t t/N=360o/ZrN（机械角度）（机械角度）对同一相数的步进电动机既可采用单拍制（对同一相数的步进电动机既可采用单拍制（N=m），也可），也可采用双拍制（采用双拍制（N=2m）。采用双拍制时，步距角减小一半，所以）。采用双拍制时，步距角减小一半，所以一台步进电动机可有两个步距角如一台步进电动机可有两个步距角如1.5o/0.75o、1.2o/0.6o、3o/1.5o等。等。8.1.4 基基 本本 特特 点点你现在浏览的是第十

21、九页，共69页3.反应式步进电动机可以按特定指令进行反应式步进电动机可以按特定指令进行角度控制角度控制，也可以进行也可以进行速速度控制度控制。如图。如图8.0.1 角度控制时，每输入一个脉冲，输出轴就转过一个角度，其步数角度控制时，每输入一个脉冲，输出轴就转过一个角度，其步数与脉冲数一致，输出轴转动的角位移量与输入脉冲数成正比。与脉冲数一致，输出轴转动的角位移量与输入脉冲数成正比。速度控制时，步进电动机绕组中送入连续脉冲，各相绕组速度控制时，步进电动机绕组中送入连续脉冲，各相绕组不断地轮流通电，步进电动机连续运转，它的转速与脉冲频率成不断地轮流通电，步进电动机连续运转，它的转速与脉冲频率成正比

22、。每分钟转子转过的圆周数，即转速为正比。每分钟转子转过的圆周数，即转速为8.1.4 基基 本本 特特 点点你现在浏览的是第二十页，共69页 反应式步进电动机转速取决于反应式步进电动机转速取决于脉冲频率脉冲频率、转子齿数转子齿数和和拍数拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。当转子齿数一定时，转子旋而与电压、负载、温度等因素无关。当转子齿数一定时，转子旋转速度与输入脉冲频率成正比，或者说其转速和脉冲频率同步，转速度与输入脉冲频率成正比，或者说其转速和脉冲频率同步，改变脉冲频率可以改变转速，故可以进行改变脉冲频率可以改变转速，故可以进行无级调速无级调速，调速范围很调速范围很宽宽。若改变通电顺序，即改

23、变定子磁场旋转的方向，就可以若改变通电顺序，即改变定子磁场旋转的方向，就可以控制电机正转或反转。控制电机正转或反转。所以所以步进电动机是用电脉冲进行控制的电机，改变电脉冲输步进电动机是用电脉冲进行控制的电机，改变电脉冲输入的情况，就可方便地控制它，使它快速入的情况，就可方便地控制它，使它快速、启动启动、反转反转、制动或制动或改变转速。改变转速。8.1.4 基基 本本 特特 点点你现在浏览的是第二十一页，共69页 4.步进电动机具有步进电动机具有自锁能力自锁能力，当控制电脉冲停止输入，而，当控制电脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时，则电机可以保持让最后一个脉冲控制的绕组继续通

24、直流电时，则电机可以保持在固定的位置上，即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位在固定的位置上，即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上，这样，步进电动机可以实现停车时转子定位。置上，这样，步进电动机可以实现停车时转子定位。由于步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和由于步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响（在允许负载范围内），也不受环境条件负载变化的影响（在允许负载范围内），也不受环境条件（温度、压力、冲击和振动等）变化的影响，只与控制脉冲（温度、压力、冲击和振动等）变化的影响，只与控制脉冲同步，同时它又能按照控制的要求，进行起动、停止、反转同步，同时它又能按照控制

25、的要求，进行起动、停止、反转或改变转速。因此步进电动机被广泛地应用与各种数字控制或改变转速。因此步进电动机被广泛地应用与各种数字控制系统中。系统中。8.1.4 基基 本本 特特 点点你现在浏览的是第二十二页，共69页 当控制电脉冲不断送入步进电动机，各相绕组又按照一定顺当控制电脉冲不断送入步进电动机，各相绕组又按照一定顺序轮流通电时，步进电动机转子就一步步地转动。当控制脉冲停序轮流通电时，步进电动机转子就一步步地转动。当控制脉冲停止，而仅给某相绕组通以恒定电流，这时转子将固定在某一位置止，而仅给某相绕组通以恒定电流，这时转子将固定在某一位置上保持不动，此时称为静止状态。当转子处于静止状态时，即

26、使上保持不动，此时称为静止状态。当转子处于静止状态时，即使有一个小的扰动，使转子偏离此稳定位置，磁场力也能把转子拉有一个小的扰动，使转子偏离此稳定位置，磁场力也能把转子拉回来。步进电动机能可靠地锁定在静止位置的功能，称为回来。步进电动机能可靠地锁定在静止位置的功能，称为“自锁自锁”。所以步进电机可以通过绕组通直流电，实现停车时转子定位。所以步进电机可以通过绕组通直流电，实现停车时转子定位。转子在静止状态时所受的电磁力矩称为静态转矩，静态转矩与转转子在静止状态时所受的电磁力矩称为静态转矩，静态转矩与转子转角子转角 的关系称为静态矩角特性。对于多相步进电动机可以一相的关系称为静态矩角特性。对于多相

27、步进电动机可以一相单独通电，也可以多相同时通电，不同通电方式下步进电动机静单独通电，也可以多相同时通电，不同通电方式下步进电动机静态矩角特性也不同，下面分别进行讨论。态矩角特性也不同，下面分别进行讨论。8.2 反应式步进电动机的特性反应式步进电动机的特性8.2.1 静态运行特性静态运行特性你现在浏览的是第二十三页，共69页8.2反应式步进电动机的特性反应式步进电动机的特性8.2.1 矩角特性和静态转矩矩角特性和静态转矩ete图图8.2.0 定、转子齿的相对位置定、转子齿的相对位置先定义定子小齿与转子小齿轴线之先定义定子小齿与转子小齿轴线之间夹角为间夹角为失调角失调角 e，失调角失调角 e通常通

28、常用电角度表示。用电角度表示。t为一个齿距对为一个齿距对应的角度，称为齿距角。若用应的角度，称为齿距角。若用电弧度表示，则齿距角电弧度表示，则齿距角 te=2 电弧度。相应的步距角为电弧度。相应的步距角为 be=2/N矩角特性矩角特性:步进电动机的静态运行性能可以由矩角特性来描述，步进电动机的静态运行性能可以由矩角特性来描述，矩角特性是不改变控制绕组通电状态，也就是保持一相或几矩角特性是不改变控制绕组通电状态，也就是保持一相或几相控制绕组通直流电流时，电磁转矩与偏转角的关系，即相控制绕组通直流电流时，电磁转矩与偏转角的关系，即Temf(e)。下面分别讨论单相和多相控制的矩角特性。下面分别讨论单

29、相和多相控制的矩角特性。你现在浏览的是第二十四页，共69页一一.单相通电时的矩角特性单相通电时的矩角特性 单相通电时，只有通电相极下的定子、转子齿产生转矩。由于定、转子结构单相通电时，只有通电相极下的定子、转子齿产生转矩。由于定、转子结构的对称性，每对定子极下定子、转子小齿的相对位置和所产生的转矩都是相同的对称性，每对定子极下定子、转子小齿的相对位置和所产生的转矩都是相同的，故可用一对定子、转子小齿相对位置的变化引起的转矩变化来进行讨论。的，故可用一对定子、转子小齿相对位置的变化引起的转矩变化来进行讨论。电动机总的电磁转矩等于通电极下所有的定子、转子小齿产生的转矩之总和。电动机总的电磁转矩等于

30、通电极下所有的定子、转子小齿产生的转矩之总和。图图8.2.1表示定子小齿与转子一个齿的相对位置。当某相通电时，苦定子、转子表示定子小齿与转子一个齿的相对位置。当某相通电时，苦定子、转子小齿轴线对齐，即小齿轴线对齐，即qe0，则此时定子、转子小齿之间的磁阻最小，吸力最大，则此时定子、转子小齿之间的磁阻最小，吸力最大，但此吸力是沿齿的轴线方向的，而沿圆周方向的切向电磁力为零，对转轴不但此吸力是沿齿的轴线方向的，而沿圆周方向的切向电磁力为零，对转轴不构成力矩，所以步进电动机转子所受电磁力矩为零，如图构成力矩，所以步进电动机转子所受电磁力矩为零，如图8.2.1(a)所示。若外所示。若外加一个力矩加一个

31、力矩TL，使转子沿顺时针方向使转子沿顺时针方向(图中为向右图中为向右)转动转动qe角，则磁力线被扭曲，产生角，则磁力线被扭曲，产生逆时针逆时针(向左向左)的电磁转矩的电磁转矩Tem；它力图使定子、转子齿恢复对齐状态，当；它力图使定子、转子齿恢复对齐状态，当TeTL时，转时，转子处于平衡状态。转子转过的角度保持为子处于平衡状态。转子转过的角度保持为q e某个值。当外加力矩增大，某个值。当外加力矩增大，使使qe 增大增大时，时，Tem也增大。当也增大。当qeqt/4时，时，Tem达到逆时针方向最大值，如图达到逆时针方向最大值，如图8.2.1(b)所示。所示。当当qe继续增大，继续增大，qeqt/4

32、时，时，Tem 方向不变，但方向不变，但Tem值却减小。当值却减小。当qeqt/2时，时，Tem0，如图如图8.2.1(c)所示。这时相邻的两个定子齿对转子齿的电磁力大小相等，方向相反，合所示。这时相邻的两个定子齿对转子齿的电磁力大小相等，方向相反，合力为零，转矩为零。反之，外加力矩使转子逆时针方向力为零，转矩为零。反之，外加力矩使转子逆时针方向(图中为向左图中为向左)转动转动q e角，则产生角，则产生顺时针顺时针(向右向右)的电磁力矩。当向左移动到的电磁力矩。当向左移动到qe=-qt/4时，时，Tem同样达最大，如图同样达最大，如图8.2.1(d)所示。而当所示。而当qe-qt/2，Tem0

33、。你现在浏览的是第二十五页，共69页8.2.1 矩角特性和静态转矩矩角特性和静态转矩图8.2.1一通电时，定、转子不同位置时的静态作用力矩一通电时，定、转子不同位置时的静态作用力矩你现在浏览的是第二十六页，共69页 设顺时针方向转动时设顺时针方向转动时q qe e和和 Tem为正，逆时针方向为负。则为正，逆时针方向为负。则q qe e当在当在q qt t/2 2范围范围内变化时，对应的电磁转矩基波内变化时，对应的电磁转矩基波Tem按正弦规律变化，如图按正弦规律变化，如图8.2.2所示。该曲线所示。该曲线称为步进电动机静态矩角特性，表达式为称为步进电动机静态矩角特性，表达式为 式中式中Tjmax

34、为步进电动机的最大静态电磁转矩，它表征了步进电动机的承载能为步进电动机的最大静态电磁转矩，它表征了步进电动机的承载能力。式中的负号表明上述假定条件下，步进电动机的电磁转矩总是与转子移动方向力。式中的负号表明上述假定条件下，步进电动机的电磁转矩总是与转子移动方向相反，即电磁转矩总是力图使转子失调角为零，因此电磁转矩也称为整步转矩。相反，即电磁转矩总是力图使转子失调角为零，因此电磁转矩也称为整步转矩。q qe e0，Tem0为稳定平衡点，为稳定平衡点，-p/2q qe ep/2为稳定工作区。在此区域内，为稳定工作区。在此区域内，当外负载转矩增大时，当外负载转矩增大时，q qe e增大，电磁转矩也增

35、加，达到新的平衡点而稳定工增大，电磁转矩也增加，达到新的平衡点而稳定工作。而作。而q qe e p/2为不稳定工作点。此时当外负载转矩使为不稳定工作点。此时当外负载转矩使 q qe e增大，且大于增大，且大于p/2时，电磁转矩反而减小，转子将沿时，电磁转矩反而减小，转子将沿q qe e 增加方向继续运动，直到新的平衡点为止，这增加方向继续运动，直到新的平衡点为止，这就会造成转子失步。就会造成转子失步。你现在浏览的是第二十七页，共69页图8.2.2 步进电动机的矩角特性步进电动机的矩角特性步进电动机产生的静态转矩步进电动机产生的静态转矩T 随失调角随失调角 e的变化规律。这个规律即的变化规律。这

36、个规律即T=f(e)曲线称为步进电动机的矩角特性，其形态近似正弦曲线曲线称为步进电动机的矩角特性，其形态近似正弦曲线8.2.1 矩角特性和静态转矩矩角特性和静态转矩你现在浏览的是第二十八页，共69页 步进电动机矩角特性上的静态转矩最大值步进电动机矩角特性上的静态转矩最大值Tjmax表示了步进电动机承表示了步进电动机承受负载的能力。受负载的能力。采用磁场能量法可推导出单相通电时静态转矩采用磁场能量法可推导出单相通电时静态转矩T与转子失调角与转子失调角 e的关系式的关系式:式中式中 Zs 为每极下的小齿数；为每极下的小齿数；Zr 为转子齿数；为转子齿数；G 为气隙比磁导；为气隙比磁导；l 为定、转

37、子轴向长度；为定、转子轴向长度；IW 为每极控制绕组安匝数，为每极控制绕组安匝数，I 为控制绕组电流，为控制绕组电流，W 为每极控制绕组有效匝数。为每极控制绕组有效匝数。8.2.1 矩角特性和静态转矩矩角特性和静态转矩你现在浏览的是第二十九页，共69页当失调角当失调角 e=/2时，静态转矩最大，即：时，静态转矩最大，即：当不计铁心饱和时，当不计铁心饱和时，静态转矩最大值与绕组电流的平方成正比静态转矩最大值与绕组电流的平方成正比。8.2.1 矩角特性和静态转矩矩角特性和静态转矩你现在浏览的是第三十页，共69页二二.多相通电时的矩角特性多相通电时的矩角特性你现在浏览的是第三十一页，共69页你现在浏

38、览的是第三十二页，共69页多相通电时的矩角特性和最大静态转矩多相通电时的矩角特性和最大静态转矩Tjmax与单相通电时不同。与单相通电时不同。m相电机相电机n相同时通电时转矩最大值相同时通电时转矩最大值与单相通电时转矩最大值之比：与单相通电时转矩最大值之比：三相电动机两相通电时转矩最大值为三相电动机两相通电时转矩最大值为五相电动机两相通电时转矩最大值为五相电动机两相通电时转矩最大值为五相电动机三相通电时转矩最大值为五相电动机三相通电时转矩最大值为四相电动机两相通电时转矩最大值为四相电动机两相通电时转矩最大值为你现在浏览的是第三十三页，共69页三相步进电动机单相、两相通电时的矩角特性三相步进电动机

39、单相、两相通电时的矩角特性你现在浏览的是第三十四页，共69页 一般而言，除了三相外，多相电机通电都能一般而言，除了三相外，多相电机通电都能 提高输出转矩，故一般功率较大提高输出转矩，故一般功率较大的步进电动机（称功率步进电动机）都采用大于三相的电机，而且是多相通电的的步进电动机（称功率步进电动机）都采用大于三相的电机，而且是多相通电的分配方式。分配方式。五相步进电动机单相、两相、三相通电时的矩角特性五相步进电动机单相、两相、三相通电时的矩角特性你现在浏览的是第三十五页，共69页 图图8-2.4 8-2.4 空载时步进电动机的单步运行空载时步进电动机的单步运行8.2.2 单步运行状态单步运行状态

40、一一.步进电动机的单步运行状态步进电动机的单步运行状态 假设矩角特性为正弦形，失调角假设矩角特性为正弦形，失调角 e是是A相定子齿轴线与转子齿轴线相定子齿轴线与转子齿轴线之间夹角，那么之间夹角，那么A相通电时的矩角特性如图相通电时的矩角特性如图8.2.4曲线曲线A所示。所示。你现在浏览的是第三十六页，共69页8.2.2 单步运行状态单步运行状态图图8.2.5 8.2.5 加载时步进电动机的单步运行加载时步进电动机的单步运行你现在浏览的是第三十七页，共69页 仍以三相步进电动机为例，假设电动机轴上负载转矩为仍以三相步进电动机为例，假设电动机轴上负载转矩为TL。当。当A相通电时，静态工作点处于如图

41、相通电时，静态工作点处于如图8.2.5所示的所示的A相矩角特性上的相矩角特性上的a点，点，对应转于位置对应转于位置qea，此时电磁转矩与负载转矩相平衡。如果送入控制脉冲，此时电磁转矩与负载转矩相平衡。如果送入控制脉冲，使由原来的使由原来的A相单独通电切换到相单独通电切换到B相单独通电，则在相单独通电，则在qea位置时，转子此时所位置时，转子此时所受的电磁转矩受的电磁转矩TB，即对应，即对应qea位置时位置时B相矩角特性的电磁转矩，相矩角特性的电磁转矩，TB大大于负载转矩于负载转矩TL，转子将在此转矩作用下做步进运动，直到，转子将在此转矩作用下做步进运动，直到b点，此时点，此时TB TL，达到新

42、的平衡。转子从，达到新的平衡。转子从a点运动到点运动到b点，正好走了一个步距点，正好走了一个步距角角qbe。这样，当绕组不断换接时，步进电动机也不断做步进运动，步距角。这样，当绕组不断换接时，步进电动机也不断做步进运动，步距角均为均为qbe。但实际上由于各种原因，如结构不对称等，实际的步距角与理论。但实际上由于各种原因，如结构不对称等，实际的步距角与理论上的步距角之间有偏差，这个偏差以角分或理论步距角的百分数来表示，称上的步距角之间有偏差，这个偏差以角分或理论步距角的百分数来表示，称为静态步距角误差，它的值越小，步进电动机的精度越高，因此它是步进电为静态步距角误差，它的值越小，步进电动机的精度

43、越高，因此它是步进电动机的一项考核指标。动机的一项考核指标。你现在浏览的是第三十八页，共69页二二.步进电动机的负载能力（起动转矩步进电动机的负载能力（起动转矩Tst）各矩角特性的交点所对应的转矩各矩角特性的交点所对应的转矩Tst(Tq)，是电机作单步运动所能，是电机作单步运动所能带动的极限负载，也称为起动转矩。实际电机所带的负载带动的极限负载，也称为起动转矩。实际电机所带的负载TL必须小必须小于起动转矩才能运动，即于起动转矩才能运动，即 TL Tst8.2.2 单步运行状态单步运行状态你现在浏览的是第三十九页，共69页你现在浏览的是第四十页，共69页 如果矩角特性近似地看作为正弦形且其幅值相

44、等，当步距角如果矩角特性近似地看作为正弦形且其幅值相等，当步距角 be 用电弧度表示为用电弧度表示为 be=2/N（N拍数）拍数）时时,则矩角特性交点为则矩角特性交点为(be-)/2,则起动转矩则起动转矩Tq可用以下公式计算可用以下公式计算 Tq=-Tjmaxsin(be-)/2 =Tjmax cos(be/2)=Tjmax cos/N 显然拍数显然拍数(N=m或或2m)越多，起动转矩越多，起动转矩Tq越接近于越接近于Tjmax，实际，实际中根据负载选用电机时应留有相当余量才能保证可靠运行。中根据负载选用电机时应留有相当余量才能保证可靠运行。8.2.2 单步运行状态单步运行状态你现在浏览的是第

45、四十一页，共69页三三.单步运行时转子振荡现象单步运行时转子振荡现象8.2.2 单步运行状态单步运行状态TbctTCqeqebe0你现在浏览的是第四十二页，共69页 设步进电动机做理想空载运行，轴上阻转矩为零。如果开始时设步进电动机做理想空载运行，轴上阻转矩为零。如果开始时A相相单独通电，转子处于失调角单独通电，转子处于失调角qe0的位置，当绕组换接使的位置，当绕组换接使B相通电时，相通电时，B相定子齿轴线与转子齿轴线错开一个步步距角。因此相定子齿轴线与转子齿轴线错开一个步步距角。因此B相矩角特性相矩角特性相对相对A相矩角特性移动了一个步距角相矩角特性移动了一个步距角qbe。B相通电后，转子在

46、相通电后，转子在B相电磁转相电磁转矩的作用下，由矩的作用下，由a点向新的平衡位置点向新的平衡位置qe=qbe的的b点运动正好一个步距角。从点运动正好一个步距角。从理论上讲，当转子齿移动到理论上讲，当转子齿移动到B相定子齿下，两轴线重合时，相定子齿下，两轴线重合时，Tem0，转子停止运动、但由于转子的机械惯性作用，转速不为零，而是要转子停止运动、但由于转子的机械惯性作用，转速不为零，而是要继续向前运动。当继续向前运动。当qeqbe时，电磁转矩时，电磁转矩TB为值，因而使转子减速，失调角为值，因而使转子减速，失调角qe越大，负的越大，负的TB越大，转子减速越快，直到转速为零。如果电机是理想空载，越

47、大，转子减速越快，直到转速为零。如果电机是理想空载，又没有阻尼作用，那么转子最终将运动到又没有阻尼作用，那么转子最终将运动到c点，对应点，对应qe2qbe，这时，这时B相定子相定子齿轴线与转子齿轴线反方向错开齿轴线与转子齿轴线反方向错开qbe 角。角。以后电机又在负的电磁转矩的作用以后电机又在负的电磁转矩的作用下向反方向转动，又越过下向反方向转动，又越过b点回到开始出发点点回到开始出发点a。这样绕组每换接一次，如果无。这样绕组每换接一次，如果无阻尼作用，电机转子就围绕新的平衡位置来回做无阻尼振荡，如图阻尼作用，电机转子就围绕新的平衡位置来回做无阻尼振荡，如图8.2.7（b）所示。所示。三三.单

48、步运行时转子振荡现象单步运行时转子振荡现象你现在浏览的是第四十三页，共69页 事实上由于转子轴上的摩擦、事实上由于转子轴上的摩擦、磁阻及电磁阻尼等的存在，单步运磁阻及电磁阻尼等的存在，单步运行时转子围绕新平衡位置的振荡过行时转子围绕新平衡位置的振荡过程总是衰减的。单步运行时所产生程总是衰减的。单步运行时所产生的振荡现象对步进电动机的运行是的振荡现象对步进电动机的运行是很不利的，它将影响系统的精度，很不利的，它将影响系统的精度，带来振动和噪声，严重时甚至使转带来振动和噪声，严重时甚至使转子失步。为此，在步进电动机中往子失步。为此，在步进电动机中往往专门设置了特殊的阻尼器如机械往专门设置了特殊的阻

49、尼器如机械摩擦阻尼器等。摩擦阻尼器等。三三.单步运行时转子振荡现象单步运行时转子振荡现象你现在浏览的是第四十四页，共69页8.2.3 步进电动机的连续运行和动特性步进电动机的连续运行和动特性一一.动态特性与矩频特性动态特性与矩频特性 在实际的控制系统中，步进电动机大多处于连续运行状态，而且还需在实际的控制系统中，步进电动机大多处于连续运行状态，而且还需经常启动、制动、正转、反转和调速。此时步进电动机处于动态运行。步经常启动、制动、正转、反转和调速。此时步进电动机处于动态运行。步进电动机动态运行时的整步转矩称为动态转矩。或电机连续转动时产生的进电动机动态运行时的整步转矩称为动态转矩。或电机连续转

50、动时产生的转矩称为转矩称为动态转矩动态转矩动态转矩动态转矩，动态转矩与电源脉冲频率的关系称为步进电动机运行时的，动态转矩与电源脉冲频率的关系称为步进电动机运行时的转矩转矩转矩转矩频率特性频率特性频率特性频率特性，简称为运行，简称为运行矩频特性矩频特性矩频特性矩频特性，它是一条随输入脉冲频率增加转矩下降，它是一条随输入脉冲频率增加转矩下降的曲线。如图的曲线。如图8.2.8所示。当输入脉冲频率逐渐增加，电动机转速逐渐升高时，步进电所示。当输入脉冲频率逐渐增加，电动机转速逐渐升高时，步进电动机所带动的负载转矩将逐步下降，也就是说，电动机所产生的电磁转矩是随脉冲频动机所带动的负载转矩将逐步下降，也就是