44步进电动机ppt课件.ppt

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1、3-4 步进电动机,3.4.1 概述 3.4.2 反应式步进电动机的结构和工作原理 3.4.3 反应式步进电动机的特性 3.4.5 步进电动机的其它类型及主要性能指标 3.4.6 步进电动机的驱动电源,3.4.1 概述,步进电动机将输入的脉冲电信号变换为阶跃的角位移或直线位移，给一个脉冲信号，电动机前进一步，因此称为步进电动机。,（1）控制系统对的基本要求 在电脉冲的控制下，步进电动机能迅速起动、正反转、制动和停车， 调速范围宽广； 步进电动机的步距角要小，步距精度要高，不丢步不越步； 工作频率高、响应速度快。（2）步进电动机的分类按其工作方式不同，可分为功率步进电动机和伺服步进电动机两类。按

2、励磁方式的不同，步进电动机可分为反应式、永磁式和感应子式三类。,1.结构特点,定子铁心 定子铁心为凸极结构，由硅钢片迭压而成。在面向气隙的定子铁心表面有齿距相等的小齿。,图4-1 四相反应式步进电动机的结构,定子绕组 定子每极上套有一个集中绕组，相对两极的绕组串联构成一相。步进电动机可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。,转子 转子上只有齿槽没有绕组，系统工作要求不同，转子齿数也不同。,3.4.2 反应式步进电动机的结构和工作原理,2. 工作原理,(1) 工作原理,以四相反应式步进电动机为例。定子有八个极，相对两极的绕组串联成一相，构成四相；转子六个齿，齿宽等于定子极靴的宽度。,（a）

3、A相通电（b）C相通电（c）B相通电（d）D相通电图4-2 四相单四拍运行,A相绕组通电，在磁阻转矩作用下，转子齿1和4的轴线与定子A极轴线对齐；,断开A相接通C相，转子齿3和6的轴线与C极轴线对齐，转子逆时针方向转过15；断开C相接通B相，转子又转过15；断开B相接通D相，转子再转过15。经过一个通电循环转子转过一个齿距角。,四相单四拍,每次只接通一相绕组的四相供电方式称为四相单四拍。,四相双四拍（图）,每次同时接通两相绕组，如ACCBBDDA，也是四拍一个循环，则称为四相双四拍。,双拍运行与单拍运行时步距角相同，产生的转矩一般会增加。,四相八拍,AACCCBBBDDDA。步距角变为原来的二

4、分之一。,(2) 运行方式,拍和步距角,电机通电方式变换一次，称为一拍。每一拍转子所转过的角度，称为步距角 。,如何使步进电动机反转？,工作原理,（图）,（图）,如图转子上共有50个齿，齿距角定子极距为 个齿。,(3) 实用反应式步进电动机如何减小步距角？增加转子齿数，同时在定子极面上开槽，定、转子的齿形要相同。,图4-1 四相反应式步进电动机的结构,转子齿数应满足,工作原理,四相单四拍运行,通电方式为ACBD。,A相绕组通电，转子齿轴线和定子磁极A上的齿轴线对齐；,断开A相接通C相，在磁阻转矩作用下，转子顺时针方向转过四分之一齿距角（1.8），使转子齿轴线和定子磁极C下的齿轴线对齐； 。,图

5、4-4 A相通电时定、转子齿的相对位置,每换接一次绕组，转子就转过14齿距角。四步完成一个循环，转子转过7.2 ,工作原理,四相八拍运行,通电方式为AACCCBBBDDDA。,A相绕组通电，转子齿轴线和定子磁极A上的齿轴线对齐；,图4-5 A、C两相通电时定、转子齿的相对位置,A、C两相同时通电时，转子顺时针方向只转过1/8齿距角（0.9）；。,每换接一次绕组，转子就转过18齿距角。,四相八拍运行时的步距角是四相四拍运行时的一半。,四相双四拍运行,通电方式为ACCBBDDA。步距角与四相单四拍运行时一样为1/4齿距角，即1.8。,工作原理,3.基本特点,(1)每相脉冲频率,步进电机的系统框图

6、脉冲电源环形分配器放大器步进电动机,图4-6 脉冲控制方框图,“环形分配器”按给定规律分配输入脉冲。对于三相步进电动机，环 形分配器是一路输入，三路输出。,三相单三拍运行时，第一个电脉冲分给A相；第二个电脉冲分给B 相；第三个电脉冲分给C相，完成一个循环。,三相双三拍运行时各相驱动信号波形图。,图4-7 三相单三拍驱动信号波形图,每个循环包含的通电状态数称为“拍数”。拍数可等于相数或相数的二倍。,每相脉冲频率 每循环一次，控制电脉冲的个数总等于拍数N，而加在每相绕组上的脉冲电压的个数却等于1。若控制电脉冲频率为 ，每相脉冲频率用 表示，则,工作原理,2步距角,每输入一个脉冲电信号转子转过的角度

7、称为步距角，用符号 表示。,步距角为,（机械角度）,N为运行拍数， ，m为电机相数。,步距角与拍数N及转子齿数Zt有关。减小步距角，可提高控制精度。,在一个齿距内磁场变化一个周期，用电角度表示时，一个齿距就对应360电角度（或 电弧度)。用电角度（或电弧度）表示的齿距角为 。,用电角度表示时，步距角为,（电角度）,（电弧度）,或,用电角度表示步距角时，步距角与转子齿数无关。,工作原理,3转速n,输入一个脉冲，转子转过整个圆周角的 ，即转过 转。 所以转速为,f 为控制脉冲的频率，即每秒输入的脉冲数。,反应式步进电动机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，与电源电压、负载、温度等因素无关。改变脉

8、冲频率可以改变转速，故可进行无级调速。,步进电动机的转速还可用步距角表示,改变通电顺序，可以控制电机转向。,工作原理,4. 步进电动机具有自锁能力,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入直流电时，则电机转子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置上。这样，步进电动机可以实现停转时转子定位。,工作原理,规定定子、转子齿轴线重合的位置为静态空载情况下的初始稳定平衡位置，而转子偏离初始稳定平衡位置的电角度称为失调角 。,3.4.3 反应式步进电动机的静态特性,静止状态步,步进电动机一相或几相通入恒定不变的直流电流，这时转子将固定于某一位置上保持不动，称为静止

9、状态。,失调角,图4-9 初始平衡位置与失调角,在静止状态下，电磁转矩与失调角之间的函数关系 ，称为步进电动机的矩角特性。,静态特性,单相通电时，通电相极下所有齿都产生转矩，由于同一相极下所有定子齿和转子齿相对应的位置都相同，因而电机总转矩为通电相极下各定子齿所产生转矩之和。,(1) 静态转矩T,A相通电时，有,在dt时间内输入的电能为,式中第一部分 为电阻损耗；第二部分 为磁场储能，是电机对外做功的能源。,电磁转矩T驱使转子转过偏转角 时，步进电动机对外输出的机械能 ，从能量平衡关系,即静态转矩为,在线性系统中,若控制绕组中的电流I为常数，每相控制绕组是两个极上绕组串接而成，且每极绕组的匝数

10、为N，则,为每极控制绕组的磁动势； 为转子齿数； 为气隙磁导对失调角的变化率。,气隙磁导 可表示为,为气隙比磁导； 为定子每极下的小齿数； 为铁心长度。,图4-10 气隙比磁导定义图,气隙比磁导的大小和齿的形状、齿宽与齿距之比、气隙与齿距之比及齿部的饱和度有关，且是失调角的周期性函数，其周期为齿距 。用傅氏级数表示为,忽略高次谐波影响影响时，气隙比磁导为,由此可得,静态转矩T是失调角 的正弦函数，它的作用总是使转子位置趋向于失调角为零；在结构一定且磁路不饱和的条件下静态转矩的大小与I2成正比。,步进电动机的起动性能用起动矩频特性、起动惯频特性和起动频率来描述。1. 起动矩频特性起动矩频特性 在

11、给定驱动电源的条件下，负载转动惯量一定时，起动频率 与负载转矩 的函数关系 ，称作起动矩频特性。,图4-26 起动矩频特性,转动惯量一定时，随着负载的增加，其起动频率是下降的。,4.4.3 步进电动机的起动特性,2. 起动惯频特性起动惯频特性 在给定驱动电源的条件下，负载转矩不变时，起动频率 与负载转动惯量 的函数关系 ，称作起动惯频特性。负载转矩不变时，随着转动惯量的增加，起动频率也是下降的。,图4-27 起动惯频特性,4.4.3 步进电动机的起动特性,3. 起动频率电机正常起动时（不丢步、不失步）所能加的最高控制频率称为起动频率或突跳频率。起动频率与负载大小有关，因而指标分空载起动频率 和

12、负载起动频率 。 比 低得多。例如，70BF03步进电动机， Hz，在0.1176 N.m的负载下起动频率 Hz。 增大电动机的动态转矩；提高起动频率的措施 减小转动部分的转动惯量； 增加拍数，减小步距角。,4.4.3 步进电动机的起动特性,4.5 步进电动机的其它类型及主要性能指标,4.5.1 步进电动机的其它类型1. 多段反应式步进电动机,结构 轴向磁路多段式步进电动机的结构如图4-28所示。定、转子铁心均沿电机轴向按相数分段，每一组定子铁心放置一相环形的控制绕组。定、转子圆周上冲有形状和数量相同的小齿。定子铁心（或转子铁心）每相邻两段错开1/m齿距。,特点 定子空间利用率较好，环形控制绕

13、组绕制较方便；转子的惯量较低；步距角也可以做得较小，起动和运行频率较高。但是在制造时，铁心分段和错位工艺较复杂，精度不易保证。,图4-28 多段式轴向磁路反应式步进电动机 1-线圈；2-定子；3-转子；4-引线,4.5.1 步进电动机的其它类型,结构 永磁式步进电动机定子上有两相或多相绕组，转子为一对或几对极的星形磁钢，转子的极数与定子每相的极数相同。,2. 永磁式步进电动机,图4-29 永磁式步进电动机,工作原理 当定子绕组按AB(-A)(-B) 轮流通直流脉冲时，转子依次转过45，一个循环转过180，步距角为45。,特点 步距角大；起动频率较低；控制功率小；在断电情况下有定位转矩；有强的内

14、阻尼力矩；要求电源供给正负脉冲，使电源的变得复杂。,结构 两相感应子式永磁步进电动机的定子结构与单段反应式步进电动机相同，1、3、5、7极上的控制绕组串联为A相，2、4、6、8极上的控制绕组串联为B相。转子是由环形磁铁和两端铁心组成。两端转子铁心上沿外圆周开有小齿，两端铁心上的小齿彼此错过1/2齿距。定、转子齿数的配合与单段反应式步进电动机相同。,3. 感应子式永磁步进电动机,图4-30 感应子式永磁步进电动机,4.5.1 步进电动机的其它类型,工作原理 转子磁钢充磁后，A端为N极，B端为S极； A相通电时，定子1、3、5、7极上的极性为N、S、N、S。定子磁极1和5上的齿在A端则与转子槽对齐

15、，磁极3和7上的齿与A端上的转子齿对齐； B相通电时，由于B相四个极（2、4、6、8极）上的齿与转子齿都错开1/4齿距，转子前进1/4齿距； 由于定子同一个极的两端极性相同，转子两端极性相反，但错开半个齿距，所以当转子偏离平衡位置时，两端作用转矩的方向是一致的。,4.5.1 步进电动机的其它类型,或 （电角度）,当定子各相绕组按顺序通以直流脉冲时，其步距角为,（机械角）,特点 步距角小；起动和运行频率高；效率高；具有定位转矩。兼有反应式和永磁式步进电动机两者的优点。 但是它需要有正、负电脉冲供电，并且在制造时比较复杂。,4.5.1 步进电动机的其它类型,4. 直线和平面式步进电动机在控制脉冲作

16、用下，直线步进电动机做直线运动，平面步进电动机做平面运动。,直线步进电动机定子：形极片；永久磁铁； 控制绕组。动子：软磁材料开槽。位置关系：a和c间为1.5t a和a间为kt a和d间为（k+1/4）t,图4-31 直线步进电动机1-永久磁铁；2- 形极片；3-控制绕组,4.5.1 步进电动机的其它类型,A相正向通电 中磁通加强， 中磁通削弱 转子位置如图a）；B相正向通电 中磁通加强， 中磁通削弱 转子位置如图b）；A相反向通电 中磁通加强， 中磁通削弱 转子位置如图c）；B相反向通电 中磁通加强， 中磁通削弱 转子位置如图d）；,图4-31 直线步进电动机1-永久磁铁；2- 形极片；3-控

17、制绕组,要使动子向左移动，将上述四个阶段的通电顺序倒过来即可。,4.5.1 步进电动机的其它类型,平面步进电动机 平面式步进电动机可看作是两个直线步进电动机的组合。定子为一块平板，其上开有X轴和Y轴方向的齿槽。定子齿排成方格形，槽中注入环氧树脂；动子由两台上述这样的直线步进电动机组成。它们分别保证动子沿互相垂直的X轴和Y轴移动。这样，只要设计适当的控制程序，借以产生一定的脉冲信号，就可以使动子在XY平面上作任意几何轨迹的运动，并定位在平面上任何一点。,图4-32平面步进电动机1-平台；2-磁钢；3-磁极,平面步进电动机采用气垫装置，将动子支承起来，使动子移动时，不与定子直接接触，因而无摩擦，且

18、惯性小、噪音低、可快速移动。,4.5.1 步进电动机的其它类型,4.5.2 步进电动机的主要性能指标,1.最大静转矩 最大静转矩 是指在规定的通电相数下矩角特性上的转矩最大值。通常在技术数据中所规定的最大静转矩是指一相绕组通上额定电流时的最大转矩值。 按最大静转矩的大小可把步进电动机分为伺服步进电动机和功率步进电动机。伺服步进电动机的输出转矩较小，有时需要经过液压力矩放大器或伺服功率放大系统放大后再去带动负载。而功率步进电动机可直接带动负载，使系统简化，传动精度提高。2. 步距角 步距角 是指输入一个电脉冲转子转过的角度。步距角的大小直接影响步进电动机的起动频率和运行频率。相同尺寸的步进电动机

19、，步距角小的起动、运行频率较高。,3. 静态步距角误差静态步距角误差 是指实际步距角与理论步距角之间的差值，常用理论步距角的百分数或绝对值来表示。4. 起动频率和起动频率特性起动频率 是指步进电动机能够不失步起动的最高脉冲频率。技术数据中给出空载和负载起动频率。实际使用时，大多是在负载情况下起动，所以又给出起动的矩频特性，以便确定负载起动频率。5. 运行频率和运行矩频特性运行频率 是指步进电动机起动后，控制脉冲频率连续上升而不失步的最高频率。通常在技术数据中也给出空载和负载运行频率，运行频率的高低与负载阻转矩的大小有关，所以又给出了运行矩频特性。,4.5.2 步进电动机的主要性能指标,4.6步

20、进电动机的驱动电源,步进电动机及其驱动电源是一个相互联系的整体。步进电动机的运行性能是由电动机和驱动电源两者配合所反映出来的综合效果。步进电动机的驱动电源，基本上包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲放大器三个部分。 图4-33 步进电动机驱动电源方框图按脉冲的供电方式来分有：单一电压型电源；高、低压切换型电源；电流控制的高、低压切换型电源；细分电路电源等。着重介绍常用的单一电压型和高、低压切换型两种电源。,1. 单一电压型驱动电源单一电压型电源是最简单的驱动电源，其原理电路如图4-34所示。 为高电平时VT1导通，绕组通电； 为低电平时VT1关断，绕组断电。,图4-34 单一电压型驱动电源,作用

21、减小电路的时间常数 ，这样可增大动态转矩，提高起动和连续运行频率，并使起动和运行矩频特性下降缓慢。C的作用 可强迫控制电流加快上升，使电流波形前沿更陡，改善波形。VD1和 的作用 形成放电回路，限制功率管VT1上的电压，保护功率管。,单一电压型电源线路简单、功放元件少、成本低，但效率较低。,4.6步进电动机的驱动电源,2. 高、低压切换型驱动电源高、低压切换型电源，其原理电路如图4-35所示。步进电动机的每一相控制绕组需要有两只功率元件串联，它们分别由高压和低压两种不同的电源供电。,图4-35 高、低压切换型驱动电源,高压供电是用来加速电流的上升速度，改善电流波形的前沿，而低压是用来维持稳定的

22、电流值。 的作用调节控制绕组的电流值，使各相电流平衡。 VD2及 作用是构成续流电路。 这种电源效率较高，起动和运行频率也比单一电压型电源要高。,4.6步进电动机的驱动电源,3. 电流控制的高、低压切换电源带有连续电流检测的高、低压驱动电源是在高、低压切换型电源的基础上，多加了一个电流检测控制线路，使高压部分的电流断续加入，以补偿因控制绕组的旋转电动势和相间互感等原因所引起的电流波顶下凹造成的转矩下降。它是根据主回路电流的变化情况，反复地接通和关断高压电源，使电流波顶维持在需求的范围内，步进电动机的运行性能得到了显著的提高，相应使起动和运行频率升高。,因在线路中增加了电流反馈环节，使其结构较为

23、复杂，成本提高。,4.6步进电动机的驱动电源,4. 步进电动机驱动电源实例下面以LQ-1500打印机字车步进电动机驱动电源及控制线路为例，说明步进电动机在实际工作中的应用。打印机在打印前必须把打印头移动到要求开始打印的点上，在打印不同字体的字符时，又要求打印头以不同的速度沿着打印纸做出水平移动。这些操作都由主CPUZ80通过从CPU 8042（11 D）控制和驱动字车步进电动机，带动齿轮、齿皮带及机头小车等传动机构来完成的。（1）系统的组成 8042是INTEL公司的通用外围接口（UPI）8位微处理器 13C（PA79C）是一种达林顿电路堆，具有很高的电流放大系数。 STK6982是一种专门用

24、于驱动步进电动机的集成电路。 字车步进电动机，有LA、LB、LC、LD四个控制绕组。,4.6步进电动机的驱动电源,（2）过程分析驱动 以A、B两相为例。开始8042的P21高电平4脚低电平5脚高电平线圈LA通电，回路为VP（+24V）12LA48R1GP（-）；与此同时，线圈LB无电流通过。反之，若8042的P21线输出低电平，线圈LB 通电而线圈LA无电流通过。 C、D两相和A、B两相类似，由8042的P20来控制它们的导通，STK6982中的TR8驱动线圈LC，TR7驱动线圈LD。限流 在LQ-1500打印机中，步进电动机每相控制绕组的直流电阻仅4左右，若不加限制，驱动电流可达6 A，要求

25、工作电流应控制在(0.50.9)A之间。,4.6步进电动机的驱动电源,电流上升回路为VP（+24V）12LA48R1GP（-），电流以最大值为6A的趋势快速上升。 电流下降回路变为VP56电阻D33LA48R1GP（-），此时线圈LA中的电流下降。 线圈LA中的电流限制在0.5A到0.9A之间。保持 当步进电动机处于锁定时，它要求的力矩较小，因此可降低线圈中的电流。这时8042就在P22端送出一个高电平到STK6982的引脚HOLD端，即保持端。回路为VP56电阻D33LA48R1GP（-），线圈LA中的电流在0.2 A左右。 这里采用了大电流运行，小电流保持的工作方式，当步进电动机运行时，必须先撤销这个保持信号。,4.6步进电动机的驱动电源,四相单四拍A C B D,四相双四拍ACCB BD DA ,四相单八拍 A AC C CB B BD D DA ,图4-30 感应子式永磁步进电动机,图4-31 直线步进电动机1-永久磁铁；2- 形极片；3-控制绕组,图4-36 字车步进电动机驱动电路,图 4-37 STK6982,