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1、控制电机,第 5 章步 进 电 动 机,河北工程大学信电学院,5.2 反应式步进电动机的工作原理,5.3 反应式步进电动机的运行特性,第5章 步进电动机,5.1 概述,第5章 步进电动机,本章要求：,掌握步进电动机的工作原理,熟悉步进电动机的基本特点,掌握步进电动机的矩角特性和静态转矩,掌握步进电动机的单步运行状态,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,5.1 概 述,步进电机是一种数字电动机，它受脉冲信号控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机。,它由专用电源供给电脉冲，每输入一个脉冲，步进电机就移进一步，所以称为步进电动机。其绕组上所加的电源
2、是脉冲电压，有时也称它为脉冲电动机。,步进电机受脉冲信号控制，因此它适合作为数字控制系统的伺服元件。它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比，所以电动机的直线速度或转速也与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低就可以在很大的范围内调节电动机的转速，并能快速起动、制动和反转。,优点：步进电动机的步距角和转速大小不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击和振动等影响，它仅与脉冲频率有关。它每转一周都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。缺点：步进电动机的主要缺点是效率较低，并且需要配上适当的驱动电源。一般来说，它带动负载惯量的能力不强。,在控制系统中，对步
3、进电动机的基本要求是：,1、在电脉冲的控制下步进电动机能迅速起动、正反转、停转及在很宽的范围内进行转速调节。,2、为了提高精度，一个脉冲对应的位移量要小，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。,3、动作不仅要快速，而且能连续高速运转以高劳动生产率。,4、输出转矩大，可直接带动负载。,目前反应式步进电动机具有步距角小、结构简单等特点，应用比较广泛，例如，应用于各种数控机床（刀台的移动），自动记录仪，钟表，绘图机构等。,5.2 反应式步进电动机的工作原理,反应式步进电动机不像传统交直流电动机那样依靠定、转子绕组电流所产生的磁场间的相互作用形成转矩与转速，它遵循磁通总是
4、沿磁阻最小的路径闭合的原理，产生磁拉力形成转矩，即磁阻性质的转矩。所以反应式步进电动机也称为磁阻式步进电动机。,反应式步进电动机是利用磁阻转矩使转子转动的，是我国目前使用最广泛的步进电动机型式。,一、工作原理,图所示为一台三相反应式步进电动机的工作原理图。它的定子上有六个极，每个极上都装有控制绕组，每相对的两极组成一相。转子是四个均匀分布的齿，上面没有绕组。,三相反应式步进电动机的工作原理图,如此循环往复，并按A-B-C-A的顺序通电，则电动机便按顺时针方向转动。电动机的转速取决于控制绕组与电源接通或开断的变化频率。若按A-C-B-A的顺序通电，则电动机逆时针转动。,二、运行方式,定子控制绕组
5、每改变一次通电方式，称为一拍。,每一拍转过的机械角度我们称它步距角，通常用s表示。,1.单拍通电运行方式,上述的通电方式（按A-B-C-A 顺序通电）称为“三相单三拍”。“单”是指每次只有一相控制绕组通电；“三拍”是指经过三次切换控制绕组回到了原来的通电状态，完成了一个循环。在三相单三拍通电运行方式中，步进电动机的步距角s=30o。,2.双拍通电运行方式,在实际使用中，单三拍通电运行方式由于在切换时一相控制绕组断电后而另一相控制绕组才开始通电，这种情况容易造成失步。此外，由单一控制绕组通电吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生振荡，故运行的稳定性较差，所以很少采用。,通常将“单三拍”通电运行
6、方式改为“双三拍”通电运行方式，即按AB-BC-CA-AB的通电顺序，即每拍都有两个绕组同时通电。,当A、B两相同时通电时，转子齿的位置同时受到两个定子极的作用，只有A相极和B相极对转子齿所产生的磁拉力相等时转子才平衡。,双拍运行时三相反应式步进电动机工作原理图,从上述分析可以看出双拍运行时，同样三拍为一循环，所以，按双三拍通电方式运行时，它的步距角与单三拍通电方式相同，也是30o。,3.单、双六拍通电运行方式,若控制绕组的通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A,或是A-AC-C-CB-B-BA-A。我们称步进电动机工作在三相单、双六拍通电方式。,在这种通电方式下，定子三相控制绕组需经过
7、六次切换通电状态才能完成一个循环，故称“六拍”。在通电时，有时是单个控制绕组通电，有时又为两个控制绕组同时通电，因此称为“单、双六拍”。,在单三拍通电方式中，步进电动机每一拍转子转过的步距角s为30o。采用单双六拍通电方式后，步进电动机由A相控制绕组单独通电到B相控制绕组单独通电，中间还要经过A、B两相同时通电这个状态，也就是说要经过二拍，转子才转过30o，所以，在这种通电方式下，三相步进电动机的步距角s=30o/2=15o。,从上述分析可知，即使同一台步进电动机，若通电运行方式不同，其步距角也不相同。,三、小步距角步进电动机,上述反应式步进电动机结构虽然简单，但是步距角较大，往往满足不了系统
8、的精度要求，例如使用在数控机床中就会影响到加工工件的精度。所以在实际中常采用一种小步距角的三相反应式步进电动机。,定子有六个极，上面装有控制绕组，这些绕组组成A、B、C三相。转子上均匀分布40个齿，定子每个极上有5个齿，定转子的齿宽和齿距都相同。因转子上共有40个齿，每个齿的齿距为360o/40=9o,而每个定子磁极的极距为360o/6=60o,所以每一个极距所占的齿距数不是整数（60o/9o）。当A极面下的定、转子齿对齐时，B极C极面下的齿就分别和转子齿相错三分之一的转子齿距，即3o。,步进电动机的步距角s的大小是由转子的齿数Zr、控制绕组的相数m和通电方式所决定。它们之间关系为：,C-通电
9、状态系数，单拍或双拍通电运行方式时，C=1 单、双拍通电运行方式时，C=2。,若步进电动机通电的脉冲频率为f，由于转子经过ZrC个脉冲旋转一周，则步进电动机的转速为,步进电动机,直线式步进电动机,旋转式步进电动机,（运动形式）,四、步进电动机的结构和分类,步进电动机,永磁感应式（混合式）步进电动机,反应式步进电动机,（工作原理）,永磁式步进电动机,反应式步进电动机,多段式步进电动机,单段式步进电动机,1.单段式,单段式又称为径向分相式，其相数沿径向分布。它是目前步进电动机中使用得最多的一种结构形式，转子上没有绕组，沿圆周有均匀布置的小齿，其齿距与定子的齿距必须相等。定子的磁极数通常为相数的二倍
10、，即2p=2m。每个磁极上都装有控制绕组，并接成m相。,这种结构形式使电动机制造简便，精度易于保证，步距角又可以做得较小，容易得到较高的起动频率和运行频率。其缺点是在电动机的直径较小而相数又较多时，沿径向分相较为困难，消耗的功率较大，断电时无定位转矩。,2.多段式,多段式又称为轴向分相式。按其磁路的特点不同，又可分为轴向磁路多段式和径向磁路多段式。,（1）径向磁路多段式 定、转子铁心沿电动机轴向按相数分段，每段定子铁心的磁极上只放置一相控制绕组。这种结构的步距角同样可以做到较小，但铁心段的错位工艺比较复杂。（定子铁心或转子铁心每相两段错开1/m齿距），精度不易保证。,（2）轴向磁路多段式 定、
11、转子铁心沿电动机轴向按相数分段，每一组定子铁心中间放置一相环形控制绕组。这种结构，环形控制绕组绕制较方便，转子的惯量较低，步距角也可以做得较小，因此起动和运行频率较高。但在制造时，铁心段的错位工艺较复杂，精度不易保证。,永磁式步进电动机,它的定子是凸极式，装设两相或多相绕组。转子是一对极或多对极的星形永久磁钢。转子的极数应与定子每相的极数相同。,特点：电机的步距角较大，起动和运行频率较低，并且还需要用正、负电脉冲供电。消耗功率低，又具有定位转矩。,感应子式永磁步进电动机,它的定子结构与单段反应式步进电动机相同，转子由环形磁钢和两端铁心组成。,优点：可以做成较小的步距角，有较高的起动和运行频率，
12、消耗功率小，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。缺点：需要有正负脉冲供电，制造工艺较为复杂。,5.3 反应式步进电动机的运行特性,运行特性,动态运行特性,静态运行特性,步进电动机的静态特性是指通电状态不变，电动机处于稳定状态下，电动机的距角特性、最大静转矩及距角特性族。,步进电动机的动态特性包括动稳定区、起动转矩、起动频率、及频率特性。,（一）矩角特性,（1）初始稳定平衡位置 是指步进电动机在空载情况下，控制绕组中通以直流时转子的最后稳定平衡位置，或称零位。从理论上讲，此时电机的静转矩（电磁转矩）为零。（2）失调角 指步进电动机转子偏转初始稳定平衡位置的电角度，用e表示。在反
13、应式步进电动机中，转子一个齿距对应的电角度为2。,一、静态运行特性,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。,（3）矩角特性 在不改变通电状态，即控制绕组电流不变时，步进电动机的静转矩与转子失调角的关系，即T=f（），称为矩角特性。,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。,单相通电时，通电相极下的齿产生转矩，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
14、等于通电相极下各个定子齿所产生的转矩之和。,随着e增加，电机产生的电磁转矩也增大,当e=/2(即1/4齿距角)时转矩最大，方向逆时针。如图2所示。,继续增加e，则转矩反而变小，直到e=时，转矩又为0。如图3所示。,当e时，转矩改变方向，变为正值。当e=3/2时，转矩达到正的最大值。如图4所示。,e继续增加，直到e=2时，转矩又变成0值。,因此上述电磁转矩随失调角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=+/2时，转矩的方向是使转子位置趋向失调角为0，与e角增加的方向相反，故取转矩为负值。当e
15、=+时，转矩T=0。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。,从距角特性可以看出，对应不同转子位置，步进电机产生的转矩是不同的。,矩角特性的表达式为：,e=0是理想的稳定平衡点，因为如有外力干扰使转子偏离初始稳定平衡位置，只要偏离的角度在-之间，一旦干扰消失，转子在电磁转矩作用下将恢复到e=0这一位置。,当e=时，虽然电磁转矩此刻也等于零，但是如果有外力干扰使转子偏离位置，当干扰消失时，转子将不能再回到e=，在电磁转矩的作用下，转子将稳定到e=0或e=2，因此e=为不稳定工作点。由此可见，在-e为静态稳定区，在这个区域中，如为理想空载，转子总会在电磁转矩的作用下占据e=0这个
16、稳定位置，若转子轴上有一定的负载转矩，则转子将稳定在某一e位置，该失调角所对应的电磁转矩正好与负载转矩相平衡。,（二）最大静转矩,矩角特性上静转矩的最大值称为最大静转矩。,（三）矩角特性族 对应于不同的通电状态的矩角特性的总和，称为步进电动机的矩角特性族。,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各自通电时的矩角特性叠加起来求出。,现推导三相步进电动机两相同时通电时的距角特性。,转子失调角e 指A相定子齿轴线与转子轴线之间的夹角，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=-Tm sin e,B相通电时的矩角特性也是一条正弦曲线，可以用下式表示
17、,TB=-Tm 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=-Tm sin(e 60 o),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。,若不用三相，而用更多相时，多相通电是否能提高转矩呢？,下面作出五相步进电动机的单相、两相、三相通电时矩角特性的波形图和向量图。,五相步进电动机的单相、两相、三相通电时矩角特性,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
18、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,输入脉冲频率非常低，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，称为单步运行状态。,（一）动稳定区,步进电动机初始状态时的矩角特性如图中曲线“0”所示。若电动机空载，则转子处于稳定平衡点o0处。输入一个脉冲，通电状态改变后，矩角特性变为曲线“1”，转子新的稳定平衡点o1。在改变通电状态时，只
19、有当转子起始位置位于ab之间才能使它向o1点运动达到该稳定平衡位置。因此，区间ab称为电动机空载时的动稳定区。,（二）单步运行时的最大负载转矩（起动转矩）,曲线A对应的是初始状态，e=0的点对应A相定子齿轴线与转子齿轴线相重合的转子位置，为平衡位置。当电机处于理想空载时，转子停在e=0的位置上。,如果此时送入一个控制脉冲，矩角特性移动一个步距角，变为曲线B。图中相邻两状态矩角特性的交点所对应的电磁转矩用Tst表示。,如果加脉冲前电机所带负载的阻转矩TLTst，转子处于失调角为em的平衡点m，当控制脉冲切换通电绕组使B相通电时，距角特性跃变为曲线B。这时，对应角em的电磁转矩大于负载转矩，电机就
20、能在电磁转矩作用下转过一个步距角达到新的平衡位置n。,如果加脉冲前电机所带负载的阻转矩TLTst，转子处于失调角为 的平衡点m，当控制脉冲切换通电绕组使B相通电后，对应角 的电磁转矩小于负载转矩，电机就不能作步进运动。,因此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Tst是电机作单步运行所能带动的极限负载，也称为极限起动转矩。由曲线中可知，步距角减少可使相邻矩角特性位移减少，就可提高极限起动转矩，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,（三）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
21、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,在简谐振动中，在单位时间内物体完成全振动的次数叫频率，用f表示。频率也表示单位时间波动传播的波长数。频率的2倍叫角频率，即=2f。,自由振荡角频率0 与振荡的幅值有关。当拍数很大时，步距角很小，振荡的幅值很小。也可以说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
22、，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。,但是，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、风阻以及内部电阻尼等存在，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，最后仍稳定欲平衡位置附近。,必须指出，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
23、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。,t,2、不同频率下的连续稳定运行和运行频率,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
24、，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。,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。,当控制脉冲的频率继续增加，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
25、摆最大值，下一个控制脉冲就来到。当频率更高时，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。,当电机有了一定转速后，再以一定速度升高控制脉冲的频率，则电机的转速亦随之继续增加。在负载情况下，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。,3、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的多。,本章结束,
