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1、7.1 反应式步进电动机的工作原理 和基本特点,7.2 反应式步进电动机的运行特性,7.3 步进电动机主要性能指标和技术数据,7.4 步进电动机的应用举例,第7章 步进电动机,第7章 步进电动机,本章要求：,熟练掌握步进电动机的工作原理,熟悉步进电动机的基本特点。,熟练掌握步进电动机的矩角特性和静态转矩。,熟悉并掌握步进电动机的单步运行状态。,熟练掌握步进电动机的连续脉冲运行和运动特性,熟悉步进电动机的主要性能指标。,7.1 反应式步进电动机的工作原理和基本特点,一、概述,步进电动机称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。其作用是将脉冲电信号转换为角位移或直线位移。,步进电动机角位移与
2、脉冲k成正比。,步进电动机速度与脉冲频率成正比。具有同步特性。,步进电动机的驱动需要结合数字技术、计算机技术和电力电子技术。,步进电动机被广泛应用于需要精确定位和定速的控制系统中，例如数控机床、绘图仪器、机器人等领域。,XY操作台,打印机,二、典型结构,步进电动机按励磁方式可分为反应式、永磁式和感应子式，其中反应式结构简单，使用普遍。右图为一台三相反应式步进电动机的典型结构图。,二、工作原理,三相反应式步进电动机按通电方式的不同，每步转动不同的角度。下面以三相单三拍为例，说明其工作原理。,步进电动机的工作原理是磁通总是走磁阻最小的路径,由于磁力线的扭曲而产生拖动转矩。,三相步进电动机具有三相单
3、三拍、三相六拍和三相双三拍运行状态。,“三相”：步进电动机具有三相定子绕组。,“单、双”：每次只有一相（单）或两相（双）绕 组通电。,“三拍”：每三次换接为一个循环。有三种通电状态。,“六拍”：每六次换接为一个 循环。有六种通电状态。A-AB-B-BC-C-CA-A,A-B-C-A,原理动画,三、基本特点,1.步进电动机工作时，每相绕组不是恒定的通电，而是由专门的驱动电源供给，通过“环形分配器”按一定规律轮流通电。这种通电方式称为“分配方式”。不管分配方式如何，每循环一次，控制电脉冲个数总等于拍数N，而加在每相绕组上的脉冲电压个数却等于1，因而控制绕组电脉冲频率f是每相绕组脉冲电压频率 f相
4、的N倍，即,f=N f相,下图为一台四相步进电动机，设其为四相单四拍运行。转子上共有50个齿，计算其齿距角 t和步距角b。,八拍运行？,2.每输入一个电脉冲信号，转子转过的角度称步距角，用 b 表示。,（ZR为转子齿数）,因为电脉冲每循环一次（经过N拍），转子正好转过一个齿距，因此每一个脉冲转过1/N齿距（步距角）。N=k m（k=1，2 m=相数）,步距角b为：,为提高工作精度，要求步距角小，可通过增加 N 或 ZR 来实现。但 N 大，则m大，电机、电源结构复杂，因此通常 ZR 数值大。,步距角b为：,3.反应式步进电动机可进行角度控制，也可进行速度控制。,角度控制时，每输入一个脉冲，定子
5、绕组就换接一次，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。,速度控制时，送入步进电动机的是连续脉冲，各相绕组不断的轮流通电，步进电动机连续运转，转速与脉冲频率成正比，每输入一个脉冲，转子转过整个圆周的 1/（N ZR），也就是转过 1/（N ZR）转，故转速为：,转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。当转子齿数一定时，转子的转速和转向就由脉冲频率和通电顺序决定。因此，改变电脉冲输入的情况，就可方便的控制电动机的正、反转，快速启动，制动以及改变转速的大小。,步进电动机的转速还可用步距角来表示，用步距角表示转速则为：,n=（60
6、 f）/（N ZR）r/min,频率f一定时，步距角越小，转速越低，电机输出功率越小。从提高加工精度上要求，应选用小的步距角，但从提高输出功率上要求，步距角又不能取的太小。一般步距角应根据系统中应用的具体情况进行选取。,n=(f b)/6o r/min,一台四相步进电动机，设其为四相八拍运行。转子上共有50个齿，计算n=1000r/min时，控制脉冲频率？,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直流电时，电机可以保持在固定的位置上。这样，步进电动机可以实现停车时转子定位。,7.2 反应式步进电动机的运行特性,一、矩角特性和静态转矩,1.静止状态：,控
7、制脉冲停止时，如果某相绕组仍通入恒定不变的电流，将转子固定于某一位置上，保持不动。,2.自锁：,静止状态时，即使有一个小的扰动，使转子偏离此位置，磁拉力也能把转子拉回来。即：电机能可靠地锁在静止位置的功能。,4.失调角：,3.齿距角：,一个齿距对应的角度，称为齿距角 t。其电角度相当于一对极距，即齿距角 t e=2 rad。,定子齿轴线与转子齿轴线之间的夹角，称为失调角 e。通常用电角度表示。,e=0 时的位置称稳定平衡位置或协调位置。,5.单相通电的距角特性：,当e=0时转子齿轴线和定子齿轴线重合，此时定、转子齿之间虽有较大的吸力，但吸力垂直于转轴，故电机产生的转矩为0，如图1所示。,单相通
8、电时，通电相极下的齿会产生转矩，这些齿与转子齿的相对位置及所产生的转矩都是相同的，故可以用一对定、转子齿的相对位置来表示转子位置，电机总的转矩等于通电相极下各个定子齿所产生的转矩之和。,在外力的作用下，转动转子使e增加，磁力线被扭曲产生电磁转矩增加，与其平衡的外转矩也增大,当e=/2(即1/4齿距角)时转矩最大。,继续增加e，电磁转矩反而减小，与其平衡的外转矩也变小，直到e=时，外转矩又为0。,当e时，电磁转矩改变方向，外转矩也改变方向，变为负值。当e=3/2时，外转矩达到负的最大值。,e继续增加，电磁转矩反向减小，与其平衡的外转矩也变小，直到e=2时，外转矩又变成0值。转子转动一个齿距（一对
9、极距，即2电角度）,由于步进电机所产生的转矩是与外转矩相平衡的，因此上述外转矩随失调角e变化的规律，就是步进电机产生的静态转矩T 随失调角e的变化规律。这个规律即T=f（e）曲线，称为步进电机的距角特性。其形态近似正弦曲线。,当e+时，转矩的方向与e角增加的方向相同，故取转矩为正值。,转子位置不同，电机产生的转矩是不同的。,步进电动机距角特性上的静态转矩最大值Tjmax表示了步进电动机承受负载的能力，它与步进电动机很多特性的优劣有直接的关系。是步进电动机的最主要性能指标之一。,现推导三相步进电动机两相同时通电时的距角特性。,6.多相通电的距角特性：,按叠加原理，多相通电时的矩角特性近似的可以由
10、各自通电时的矩角特性叠加起来求出。,设转子失调角e 起始点（=0）在A相定子齿轴线处，则A相通电时的矩角特性是一条过0点的正弦曲线，可以用下式表示,TA=-Tjmax sin e,B相通电时的矩角特性也是一条正弦曲线，但其平衡位置落后A的一个步距角（电角度120）,TB=-Tjmax sin（e 120 o）,当 A、B 两相同时通电时，合成距角特性应为两者相加，即,TAB=TA+TB=-Tjmax sin（e 60 o）,单相、两相通电时的距角特性,转矩向量图,TA,TB,TAB,三相步进电动机两相同时通电时，最大静态转矩值与单相通电时的最大静态转矩值相等。也就是说，对三相步进电动机来说，不
11、能依靠增加通电相数来提高转矩，这是三相步进电动机一个很大的缺点。,五相步进电动机的单相、两相、三相通电时矩角特性,若不用三相，而用更多相时，多相通电是否能提高转矩呢？,五相步进电动机转矩向量图,m 相电机，n 相同时通电距角特性的一般表达式：,m 相电机，n 相同时通电时转矩最大值与单相通电时转矩最大值之比,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,一般而言，除了三相外，多相电机的多相通电都能提高输出转矩，故一般功率较大的步进电动机（称为功率步进电动机）都采用大于三相的电动机，而且是多相通电的分配方式。,二、单步运行状态,1 什么是单步运行状态？,输入脉冲频率非常低，
12、加第二脉冲之前，前一步已经走完，转子运行已经停止的运行状态。,2 步进电动机的单步运行,e,T,0,TA,60o,120o,TB,TAB,图中失调角e 是 A 相定子齿轴线与转子齿轴线之间的夹角。e=0是 A 相定子齿轴线与转子齿轴线相重合时的转子位置，称平衡位置。,e,T,0,TA,60o,120o,TB,TAB,空载时，转子停在e=0 位置，此时B 相通电，转矩从 o 到 a，转矩为,TBa=Tjmax sin 120 o,T,转子从 0 移动到eb（120o电角度）电机前进了一步。,如果不断送入控制脉冲，电机就不断地一步一步转动。此即步进电动机空载作单步运行的情况。,当电机带恒定负载时，
13、A相通电，转子停在失调角为ea 的位置上，此时电磁转矩TA与负载转矩TL相等转子处于平衡。如果送入控制脉冲，转换到B 相通电，则转子所受的有效转矩为电磁转矩TB与负载转矩TL之差，转子在此转矩的作用下转动。,转子转过一个步距角120 o，由e=ea转到新的平衡位置e=eb。这样，当绕组不断的换接时，电机也不断地作步进运动，步距角仍为120 o 电角度。,通常情况下，实际步距角与理论步距角稍有偏差。,3、步进电动机的最大负载能力,步进电动机的最大负载能力也称极限启动转矩，它表示步进电动机作单步运行时能带动的最大负载。,通常情况下，实际步距角与理论步距角稍有偏差。这个偏差以角分或理论步距角的百分数
14、来衡量，称为静态步距角误差b。其值越小，表示精度越高。,（极限启动转矩）,当电机所带负载的阻转矩TL Tq时，如果开始时转子是处在平衡点a，当控制脉冲切换通电绕组是B相通电，这时对应的电磁转矩(a,点)大于负载转矩，电机就能在电磁转矩作用下转过一个步距角达到新的平衡位置。,当电机所带负载的阻转矩TL Tq时，如果开始时转子是处在平衡点a1，当控制脉冲切换通电绕组是B相通电，这时对应的电磁转矩(a,1点)小于负载转矩，电机就不能作步进运动。,电机以一定通电方式运行时，相邻矩角特性的交点所对应的转矩Tq是电机作单步运动所能带动的极限负载，也称为极限启动转矩。实际电机所带的负载转矩TL必须小于极限启
15、动转矩才能运动，即TL Tq。,步距角减小可使相邻距角特性位移减少，就可提高极限启动转矩Tq，增大电机的负载能力。,三相单三拍极限启动转矩Tq,三相六拍极限启动转矩Tq,4、单步运行时转子振荡现象,单步运行时转子从一个平衡位置转过一个步距角到达新的平衡位置，但是由于惯性作用，转子要在新的平衡位置来回振荡。如果无阻尼作用，电机就环绕新的平衡位置来回作不衰减的振荡，此称为自由振荡。若振荡角频率用 0 表示，相应的振荡频率和周期为,自由振荡角频率0 与振荡的幅值有关。当拍数多时，步距角很小，振荡的幅值很小。此时，转子在平衡位置附近作微小的振荡，这时振荡的角频率称为固有振荡角频率，用0表示。理论上可以
16、证明固有振荡角频率为,式中J为转动部分的转动惯量。固有振荡角频率0是步进电机一个很重要的参数。,随着拍数减少，步距角增大，自由振荡的幅值也增大，自由振荡频率就减小。比值0/0与振荡的幅值（即步距角）的关系。,o,实际上转子作无阻尼的自由振荡是不可能的，由于轴上的摩擦、风阻以及内部电阻等存在，单步运动时转子环绕平衡位置的振荡过程总是衰减的，阻尼越大，衰减得越快，最后仍稳定于平衡位置附近。,单步运动时所产生的振荡现象对步进电机的运行是很不利的，它影响了系统的精度，带来了振动及噪音，严重的甚至使转子丢步。为了使转子振荡衰减的快，在步进电机中往往专门设置了特殊的阻尼器（如机械摩擦阻尼器）。,三、连续脉
17、冲运行和动特性,1、运行矩频特性,步进电机作单步运行时的最大允许负载转矩为Tq，但当控制脉冲频率逐步增加，电机转速逐步升高时，步进电机所能带动的最大负载转矩值逐步下降。这就是说，电机连续转动时所产生的最大输出转矩 T 是随着脉冲频率 f 的升高而减少的。T 与 f 两者之间的关系称为步进电动机运行矩频特性，它是一条下降的曲线。,为什么控制脉冲频率逐步增加以后，步进电机的负载能力逐步下降呢？这主要是由于定子绕组电感的影响。,步进电机定子绕组电感有延缓电流变化的特性，因而绕组的通电频率越高，电流的平均值越小，电机产生的平均转矩越小，负载能力也就大大下降了。,当转子处于静止状态时，若转子上没有任何强
18、制作用，则稳定在坐标原点O。,2、静稳定区和动稳定区,如果在外力矩作用下使转子离开平衡点，那么只要失调角在-e+范围内，去掉外力矩后，在电磁转矩作用下转子仍能回到平衡位置O点。否则转子就向前一齿或后一齿的平衡点运动。所以-e+区域称作静稳定区。,-,如果切换通电绕组，这时矩角特性向前移动一个步距角。,+be,-+be,o1,此时新的平衡点为o1，对应它的静稳定区为（-+be be+be）。在换接的瞬间，转子的位置只要在这个区域内，就能趋向新的稳定平衡点，所以（-+be be+be）区域称为动稳定区。显然，拍数越多，步距角越小，动稳定区就越接近静稳定区。,3、不同频率下的连续稳定运行和运行频率,
19、(1)低频率时：步进电机在极低频率下运行时，运行情况为连续的单步运动。在有阻尼的情况下，此过程乃是一个衰减的振荡过程。,由于控制脉冲的频率低，在一个周期内转子来得及把振荡衰减得差不多，并稳定于新的平衡位置或其附近。而当下一个控制脉冲来到时，电机好象又从不动的状态开始，其每一步都和单步运行一样。所以说，这时电机具有步进的特征。,当控制脉冲的频率等于或接近步进电机振荡频率的 1/k 时（k=1，2，3，），电机就会出现强烈振荡甚至失步和无法工作，这就是低频共振和低频丢步现象。,be,T,TA,TB,TC,be,a0,b0,c0,c0,当控制脉冲的频率等于进电机振荡频率的 1/k 时（k=1，2，3
20、，），如果阻尼作用不强，即使电机不发生低频失步，也会产生强烈振动，这就是步进电机低频共振现象。,步进电机低频共振时，就会出现强烈振动，甚至失步而无法工作，所以一般不允许电机在共振频率下运行。为了削弱低频共振，很多电机专门设置了阻尼器，依靠阻尼器消耗振动的能量，限制振动的振幅。,（2）频率较高时：当电机处在高频脉冲下运行时，前一步的振动尚未达到第一次回摆最大值，下一个控制脉冲就来到。或甚至前一步振荡尚未到达第一次振荡的幅值就开始下一步。此时，电机的运行如同同步电动机一样连续地、平滑地转动，转速比较稳定。,（3）频率高时：当电机有了一定转速后，再升高控制脉冲的频率，则电机的转速亦随之继续增加。在负
21、载情况下，电机正常连续运行时（不丢步、失步）所能加的最高控制频率称为连续运行频率，这是步进电动机的重要技术指标。,4、步进电机启动过程和启动频率（突跳频率）,若步进电机原来静止于某一相的平衡位置上，当一定频率的控制脉冲送入时电机就开始转动，但其转速不是一下子就能达到稳定数值的，有一暂态过程，这就是启动过程。,在一定负载转矩下，电机正常启动时（不丢步、不失步）所能加的最高控制频率称为启动频率或突跳频率，这也是衡量步进电机快速性能的重要技术指标。启动频率要比连续运行频率低得多。,7.3 驱动电源及其对电机性能的影响,一、驱动电源及其对电机性能的影响,步进电机是由专门的驱动电源驱动的，驱动电源和步进
22、电动机是一个有机的整体，步进电动机的运行性能是电动机及其驱动电源二者配合的综合表现。,驱动电源的基本部分包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲功率放大器。,1、单一电压型电源,左图为单一电压型电源的一相功放电路（m 相电机有m 个这样的功放电路）。,来自分配器的信号电压经过几级电流放大后加到三极管T1的基极，控制T1的导通和截止。,T1是功放电路的末级功放管，它与步进电动机的一相绕组串联，所以通过功放管T1的电流与通过步进电动机绕组的电流相等。,图中i1为绕组的电流波形，这样的电流波形会使步进电动机的输出转矩减小，动态特性变坏。,如果要提高转矩，应缩短电流上升的时间常数(T=L/R)，使电流前沿变陡
23、，因此在设计电机时尽量减小绕组电感。如果加大串联电阻Rf1也可使时间常数下降，但为了达到同样的稳态电流值，电源电压要作相应的提高。,可以看出加大串联电阻Rf1电流幅值也增大，波形更接近于矩形。这样就可以增大转矩，提高启动和连续运行频率，并使启动和运行矩频特性下降缓慢。,单一电压型电源只用一种电压，线路简单，功放元件少，成本低。但是它的最主要缺点是电流流过串联电阻Rf1后要消耗非常可观的电能。,2、高低压切换型电源,t,i,o,采用高低压切换型电源，绕组中的电流 i 如下图所示。,3、其它型式的驱动电源,除了上述两种常用的驱动电源外，还有其它新型的驱动电源线路，如带有多次电流检测的高低压驱动电源
24、，单电压斩波恒流型驱动电源，细分电路等。,7.4 步进电动机的主要性能指标和技术数据,一、最大静转矩Tjmax,步进电动机在规定的通电相数下，矩角特性上的转矩最大值，称为最大静转矩Tjmax。绕组电流越大，最大静转矩也越大。,通常技术数据中所规定的最大静转矩，指每相绕组通以额定电流时所得的值。,一般负载转矩和最大静转矩的比为：,按最大静转矩值，步进电动机分为伺服步进电动机和功率步进电动机两种。,TL=（0.3-0.5）Tjmax,二、步距角b,每输入一个电脉冲信号时，转子转过的角度称步距角。,步距角大小会直接影响步进电动机的启动和运行频率。外型尺寸相同的电机，步距角小的往往启动、运行频率比较高
25、，但转速和输出功率不一定高。,步进电动机驱动对象多是直线运动，需加装机械装置将旋转变为直线运动。此时，步距角需根据系统要求的脉冲当量和丝杠螺距确定：,脉冲当量：每一脉冲步进电动机带动负载移动的直线位移量。,三、静态步距角误差 b,静态步距角误差即实际的步距角与理论的步距角之间的差值，通常用理论步距角的百分数或绝对值来衡量。静态步距角误差小，表示电机精度高。b通常是在空载情况下测量的。,四、启动频率和启动矩频特性,启动频率又称突跳频率，是步进电动机能够不失步启动的最高脉冲频率。实际使用时步进电动机大都带载启动，这时负载启动频率是一个重要指标，而该指标又与负载转矩及惯量大小有关。,五、运行频率和运
26、行矩频特性,步进电动机启动后，控制脉冲频率连续上升而维持不失步的最高频率，称为运行频率。当步进电动机带载运行时，运行频率与负载转矩大小有关，两者的关系称为运行矩频特性，通常也以表格或曲线形式给出。,提高运行频率对于提高生产率和系统的效率有很大实际意义。,在一定的负载惯量下，启动频率随负载转矩变化的特性称为启动矩频特性，通常以表格或曲线形式给出。,六、额定电流,电机不动时，每一相绕组允许通过的电流定为额定电流。当电机运转时，每一相绕组通的是脉冲电流，电流表指示的读数为脉冲电流平均值，并非为额定电流（此值比额定电流低）。绕组电流太大，电机温升会超过允许值。,七、额定电压,额定电压是指加在驱动电源各相主回路的直流电压。一般不等于加在绕组两端的电压。,国家标准规定步进电动机的额定电压为：,单一电压型电源 6、12、24、48、60、80（伏）,高低压切换型电源 60/12、80/12（伏）,7.5 步进电动机的应用举例,恒流泵,激光排版,切线机,幻灯机,
