《机电传动控制》讲义(6)

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1、机电传动控制机电传动控制彭健重庆工商大学机械与包装工程学院20062007学年第二学期第四章 步进电机传动控制第一节 步进电机原理v步进电机伺服驱动装置是电气伺服驱动装置中结构最简单，控制最容易，维修最方便，而且是全数字化的装置。同时由于步进电机伺服驱动不需另配反馈元件，就可进行伺服控制。因此，特别适合数字数字控制控制(NC)的系统使用。 步进电机伺服驱动装置一般只用于步进电机伺服驱动装置一般只用于开环系统开环系统，而开环系统的精度远不如，而开环系统的精度远不如闭环系统高。步进电机伺服驱动装置的速度闭环系统高。步进电机伺服驱动装置的速度(转速转速)也远不如直流伺服驱动或也远不如直流伺服驱动或交

2、流伺服驱动装置高，而且功率越大，速度越低。因此，步进电机伺服驱动交流伺服驱动装置高，而且功率越大，速度越低。因此，步进电机伺服驱动装置一般只用于装置一般只用于小容量、加工速度低、精度较高小容量、加工速度低、精度较高的场合。如经济型数控机床、的场合。如经济型数控机床、电加工机床、计算机的打印机、磁盘驱动器等外部设备。电加工机床、计算机的打印机、磁盘驱动器等外部设备。 v一、什么是步进电机？步进电机是一种同步电机，其定子上绕有控制绕组，若给控制绕组以一定的方式依次通入电流，就会在空间产生一步一步的旋转磁场。其转子则会跟随磁场一步一步地同步旋转。步进电机可用数字脉冲信号驱动，因此又称为数字电机。步进

3、电机的分类v步进电机按结构来分有反应式、永磁式和混合式(或感应子式)三大类。v按运动方式分：旋转式步进电机，和直线步进电机。v从励磁相数来分：有三相、四相、五相、六相等步进电机。（a）凸极式 （b）隐极式 同步电动机的结构示意图 同步电机有旋转磁极式和旋转电枢式两种结构形式。 由于旋转磁极式具有转子重量小、制造工艺较简单、通过电刷和滑环的电流较小等优点，大中容量的同步电动机多采用旋转磁极式结构。 根据转子形状的不同，旋转磁极式又可分为凸极式和隐极式两种，如图所示。 凸极式多用于要求低转速的场合，其转子粗而短，气隙不均匀。隐极式多用于要求高转速的场合，其转子细而长，气隙均匀。v二、步进电机的工作

4、原理 同步电动机工作时，定子的三相绕组中通入三相对称交流交流电，转子的励磁绕组通入直流直流电流。 在定子三相对称绕组中通入三相交变电流时，将在气隙中产生旋转磁场。在转子励磁绕组中通入直流电流时，将产生极性恒定的静止磁场。若转子磁场的磁极对数与定子磁场的磁极对数相等，转子转子磁场因受定子磁场磁拉力作用磁场因受定子磁场磁拉力作用而随定子旋转磁场同步旋转，即转子以等同于旋转磁场的速度、方向旋转，这就是同步电动机的基本工作原理。 定子旋转磁场与转子的速度为 ，称为同步转速。它的大小只决定于电源频率 的大小和定、转子的极对数p，不会因负载变化而改变。 定子旋转磁场或转子的旋转方向决定于通入定子绕组的三相

5、电流相序相序，改变其相序即可改变同步电动机的旋转方向。pfn1160 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。极组成一相。 与同步电机不同，步进机电子的定子控制磁极与同步电机不同，步进机电子的定子控制磁极依次通入依次通入直流电脉冲直流电脉冲，带动转子转动。，带动转子转动。ABC定子定子转子转子IAIBIC步进电机步进电机工作原理工作原理 可以将转子可以将转子锁止锁止在任意一相控制磁极。在任意一相控制磁极。可变磁阻型(VR型一Variable)。v该类电机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制的齿形转子作步进驱动，定子上有多相励磁绕组，利用磁

6、导的变化产生转矩，故又称作反应式步进电机。v转子没有励磁绕组，转子的磁性由定子绕组产生。其结构原理如图所示。转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。制造成本高、效率低、制造成本高、效率低、无制动力矩、噪声大等。无制动力矩、噪声大等。制造材料费用低、结构简单、步距角小制造材料费用低、结构简单、步距角小电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量）当转子与定子错开一定角度产生力F与（d/d）成正比 。 磁通量=BrS Br 为磁通密度， S 为导磁面积 F正比于L

7、DBr L 为铁芯有效长度， D 为转子直径 Br=NI/RNI 为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数） R 为磁阻。 力矩=力*半径 力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态）。推论： 电机有效体积越大，励磁安匝数越大。电机有效体积越大，励磁安匝数越大。 定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。 永磁型(PM型一Permanent Magnet Type)步进电机vPM型步进电机的转子2采用永久磁铁、定子1采用软磁钢制成，绕组3轮流通电，建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。其结构如图所示。 PM型电机的特点是励磁功型电机的特

8、点是励磁功率小、效率高、造价便宜。率小、效率高、造价便宜。由于转子磁铁的磁化间距由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故受到限制，难于制造，故步距角较大步距角较大。与与VR型相比转矩大，但转型相比转矩大，但转子惯量也较大。子惯量也较大。制动力矩大。制动力矩大。混合型(HB型一Hybrid Type)。v这种电机转子上嵌有永久磁铁，故可以说是永磁型步进电机，但从定子和转子的导磁体来看，又和可变磁阻型相似，所以是永磁型和可变磁阻型相结合的一种形式。故称为混合型步进电机，其结构如图312所示。v它不仅具有VR型步进电机步距角小、响应频率高的优点，而且还具有PM型步进电机励磁功率小、效率高的优点，

9、是一种很有发展前途的步进电机。 步进电机的工作方式可分为：步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。双六拍、三相双三拍等。一、三相单三拍一、三相单三拍（1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y 型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A 相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相 C 相相 B 相相 第二节 步进电机的工作方式（3）工作过程）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。路的磁阻最小，使转、定子

10、的齿对齐停止转动。A 相通电，相通电，A 方向的磁方向的磁通经转子形成闭合回路。通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁场的作用下，转子被磁A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA 对齐。对齐。CABBCA3412CABBCA3412同理，同理，B相通电，转子相通电，转子2、4齿和齿和B相轴线对齐，相轴线对齐，相对相对A相通电位置转相通电位置转30 ；C相通电再转相通电再转30 。1C342CABBA 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且

11、，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相三相单三拍单三拍。三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过 30 。此角称为。此角称为步距角步距角，用，用 S表示。表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。改变通电顺序即可改变转向。二、三相单双六拍二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作过程：工作过程：A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿和齿和A相对齐。相对齐。CA