机电传动控制13-步进电机
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1、 第十三章第十三章 步进电动步进电动机传动控制系统机传动控制系统 掌握步进电动机的结构原理、运行特点及影响因素掌握步进电动机的结构原理、运行特点及影响因素 掌握步距角和步进电动机转速的数学表达式及其物掌握步距角和步进电动机转速的数学表达式及其物理意义理意义 了解步进电动机环形分配器的基本原理及其硬、软了解步进电动机环形分配器的基本原理及其硬、软件的实现方法件的实现方法 了解两种不同类型步进电动机的驱动电路及其优缺了解两种不同类型步进电动机的驱动电路及其优缺点点 13.1 13.1 步进电动机步进电动机 步进电动机步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电是一种将电脉冲信号转换成机械位移的
2、机电执行元件。每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时，执行元件。每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时，其转轴就转过一个固定的角度其转轴就转过一个固定的角度（步距角（步距角 ），顺序连续地发，顺序连续地发给脉冲，则电机轴一步接一步地运转。给脉冲，则电机轴一步接一步地运转。步进电动机特点步进电动机特点 步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，运行中无累步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，运行中无累积误差。积误差。 步进电机能方便地实现正、反转和调速、定位控制。特别是步进电机能方便地实现正、反转和调速、定位控制。特别是不需位置传感器或速度传感器就可以在开环控制下精确定位不需位置传感器或速度
3、传感器就可以在开环控制下精确定位或同步运行。或同步运行。 步进电动机的缺点是不能达到很高的转速（一般小于步进电动机的缺点是不能达到很高的转速（一般小于10001000到到20002000转每分）。存在低频振荡、失步和高频失步等缺陷。另转每分）。存在低频振荡、失步和高频失步等缺陷。另外，步进电机自身的噪声和振动较大。外，步进电机自身的噪声和振动较大。 步进电动机的分类步进电动机的分类 按工作原理分：按工作原理分：反应式反应式: :转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动；转子转动；励磁式：励磁式：转子、定子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动；转子、
4、定子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动；混合式（永磁式）混合式（永磁式）：与反应式的主要区别是转子上有磁：与反应式的主要区别是转子上有磁钢。钢。按输出转矩大小分：按输出转矩大小分：快速步进电机：快速步进电机：输出转矩输出转矩0.070.07NmNm4Nm4Nm功率步进电机：功率步进电机：输出转矩输出转矩5 5NmNm40Nm40Nm按定子排列还可分为多段式按定子排列还可分为多段式( (轴向式轴向式) )和单段式和单段式( (径向式径向式) )。按励磁相数分有二、三、四、五、六、八相等。按励磁相数分有二、三、四、五、六、八相等。三相反应式步进电动三相反应式步进电动机工作原理机工作原理 定子由硅钢片叠
5、成，装上一定相数的控制绕组，由环行分定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，由环行分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁。配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁。 转子部分由转子铁心、转轴等组成。转子铁心是由硅钢片转子部分由转子铁心、转轴等组成。转子铁心是由硅钢片或软磁材料叠压而成的齿形铁心。图中转子上有或软磁材料叠压而成的齿形铁心。图中转子上有4 4个凸齿。个凸齿。 若对励磁绕组以一定方式通以直流励磁电流，则转子以相若对励磁绕组以一定方式通以直流励磁电流，则转子以相应的方式转动。其转动原理其实就是电磁铁的工作原理应的方式转动。其转动原理其实就是电磁铁的工作原理 。AAK1K2K3
6、BCBC三相反应式步进电动三相反应式步进电动机工作原理机工作原理给给A A相绕组通电时，转子位置如图相绕组通电时，转子位置如图，转子齿偏离定子齿一个角转子齿偏离定子齿一个角度。度。由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动；吸力，迫使转子齿转动；当转子转到与定子齿对齐位置时当转子转到与定子齿对齐位置时，因转子只受径向力而无切线因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：由此可见：是助使步进电机旋转的根本原因。是助使步进电机旋转的根本原因。基
7、本工作原理通电方式通电方式“单单”、“双双”、“拍拍”的意思是：的意思是：“单单”是指每次切换前后只有一相绕组通电；是指每次切换前后只有一相绕组通电；“双双”就是指每次有两相绕相通电；就是指每次有两相绕相通电；而从一种通电状态转换到另一种通电状态就叫做一而从一种通电状态转换到另一种通电状态就叫做一“拍拍”。对于三相反应式步进电机，其运行方式有：对于三相反应式步进电机，其运行方式有：单三拍（全步，单三拍（全步，Full StepFull Step）、单双六拍（半步单双六拍（半步, ,Half StepHalf Step）双三拍双三拍等通电方式。等通电方式。三相单三拍工作方式三相单三拍工作方式指对
8、三相绕组单独轮流通电，三次换相（三拍）完成一指对三相绕组单独轮流通电，三次换相（三拍）完成一个通电循环。个通电循环。通电顺序为通电顺序为A AB B时时，转子按顺时针方向一步一，转子按顺时针方向一步一步转动。步转动。通电顺序改为通电顺序改为A A时时，转子按逆时针方向一步，转子按逆时针方向一步一步转动。一步转动。可见，欲改变步进电机的旋转方向，则只要改变通电顺可见，欲改变步进电机的旋转方向，则只要改变通电顺序即可。序即可。电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距角电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距角（此例中转子有四个齿，则齿距角为（此例中转子有四个齿，则齿距角为9090 ）电流每
9、换接一次转子前进一个角度称为步距角。此例中电流每换接一次转子前进一个角度称为步距角。此例中电流换接三次走完一个齿距角，则步距角为电流换接三次走完一个齿距角，则步距角为3030三相三相单、双六拍单、双六拍工作方式工作方式按按A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A或或A-CA-C-BC-B-AB-AA-CA-C-BC-B-AB-A相序循环通电。相序循环通电。同样，通电顺序改变时，旋转方向改变。同样，通电顺序改变时，旋转方向改变。而电流换接次数多了一倍，步子走得更细了，步距角为而电流换接次数多了一倍，步子走得更细了，步距角为1515 三相三相双三拍双三拍工作方式工作方式按按
10、AB-BC-CA-ABAB-BC-CA-AB或或AC-CA-BC-ACAC-CA-BC-AC相序循环通电。相序循环通电。步距角与三相单三拍工作方式相同也步距角与三相单三拍工作方式相同也3030，运行稳定性，运行稳定性较前者好。较前者好。 综上所述，可得出：综上所述，可得出：通电频率提高，步进电动机的转速升高。通电频率提高，步进电动机的转速升高。每一循环中通电拍数越多，步距角减小。步进电动机每一循环中通电拍数越多，步距角减小。步进电动机的转速降低。的转速降低。 小步距角步进电机小步距角步进电机 定子极面小齿和转子上的小齿位置符合下列规律：定子极面小齿和转子上的小齿位置符合下列规律：当当A A相的
