王铁成 主编,特种电机知识,TEZHONG DIANJI ZHISHI,第一章 步进电动机,本章应知,1.了解步进电动机的工作特点、控制系统对步进电动机的要求。 2.了解步距角的概念，如何获得小步距角，明确步距角大小的决定条件。 3.了解步进电动机速度与方向如何改变。 4.了解反应式步进电动机的工作原理以及三相单三拍、双三拍通电方式。 5.了解步进电动机的动稳定区、最大负载转矩（起动转矩） 6.了解步进电动机的起动频率、连续运行频率。了解步进电动机的起动距频特性和惯频特性。 7.了解驱动电源的组成、各种驱动电源形式要求。 8.进行三相单、双六拍单转向和双转向运行的步进电动机驱动电源的逻辑分析。,第一章 步进电动机,本章应会,1.掌握反应式、永磁式、反应式永磁步进电动机实物结构。 2.掌握反应式、永磁式反应式永磁步进电动机的结构特点、适用场合。 3.掌握步进电动机的静态运行特性、静稳定区、最大静转矩。 4.根据所选步进电动机类型，选用相应的驱动电源，确定步进电动机的相关项目和技术参数，进行步进电动机的运行调试。正确选用合适的步进电动机。 5.步进电动机主要参数的检测方法，进行主要参数检测。,第一节 概 述,1)步距角精度高，能够准确地将脉冲信号转换为角位移或直线位移。 2)起动频率和运行频率满足系统要求，运行稳定。 3)产品通用性强，功耗低，效率高。 4)具有较强的负载驱动能力。,第二节 步进电动机的工作原理,图1-1 三相反应式步进电动机的工作原理,第二节 步进电动机的工作原理,图1-2 单、双六拍运行时的三相反应式步进电动机,第二节 步进电动机的工作原理,图1-3 小步距角的三相反应式步进电动机,第二节 步进电动机的工作原理,图1-4 三相反应式步进电动机的定、转子齿展开图,第三节 步进电动机的结构和分类,一、反应式步进电动机 反应式步进电动机有单段式和多段式两种形式。 1.单段式 单段式又称为径向分相式，它是目前步进电动机中使用最多的一种结构形式，如图1-3所示。 2.多段式 多段式又称为轴向分相式。,图1-5 轴向磁路多段反应式步进电动机的结构 1线圈 2定子 3转子 4引出线,第三节 步进电动机的结构和分类,图1-6 径向磁路多段反应式步进电动机 1线圈 2定子 3转子,第三节 步进电动机的结构和分类,图1-7 永磁式步进电动机,第三节 步进电动机的结构和分类,二、永磁式步进电动机 永磁式步进电动机也有多种结构，图1-7所示为一种典型的结构，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。 三、感应子式永磁步进电动机 感应子式永磁步进电动机的结构如图1-8所示。,图1-8 感应子式永磁步进电动机的结构,第三节 步进电动机的结构和分类,图1-9 反应式直线步进电动机 1转子 2定子 3线圈,第三节 步进电动机的结构和分类,四、直线式步进电动机 直线式步进电动机是将电脉冲信号转换成某些特定部件的直线平面上的位移量，以实现相应的定位和轨迹控制。,第四节 步进电动机的运行特性,一、静态运行特性 步进电动机的静态运行是指通电状态不变，电动机处于稳定状态下。 1.矩角特性 (1)初始平衡稳定位置 它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。 (2)失调角 它是指步进电动机偏离初始稳定平衡位置的电角度。,第四节 步进电动机的运行特性,(3)矩角特性 在不改变通电状态，也就是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。 静转矩的正方向取增大的方向。,图1-10 不同失调角时的静转矩 a)=0，T=0 b)=，T=0 c)0，T0,第四节 步进电动机的运行特性,2.最大静转矩 矩角特性上，静转矩（绝对值）的最大值称为最大静转矩。,图1-11 步进电动机的矩角特性,第四节 步进电动机的运行特性,3.矩角特性族 对应于不同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。,图1-13 矩角特性族,第四节 步进电动机的运行特性,二、单脉冲运行 步进电动机的单脉冲运行是指电动机仅仅改变一次通电状态时的运行方式。 1.动稳定区 动稳定区是指步进电动机从一种通电状态切换到另一种通电状态时，不致引起失步的区域。,图1-14 动稳定区,第四节 步进电动机的运行特性,2.最大负载转矩(起动转矩) 步进电动机在负载情况下，若负载转矩为TL1，则初始状态时电动机的稳定平衡位置对应于图1-15a中曲线“0”上的O0点。,图1-15 最大负载转矩 a) b),第四节 步进电动机的运行特性,三、连续脉冲运行 1.起动频率 步进电动机的起动频率fst是指在一定负载转矩下能够不失步起动脉冲的最高频率，它是步进电动机的一项重要技术指标。 1)按能起动的最短脉冲间隔时间tf便可决定电动机的起动频率fst，则 fst=(1-10） 2)起动频率fst的大小与电动机的步距角S有关。,第四节 步进电动机的运行特性,3)电动机的最大静转矩Tsm越大，作用于电动机转子上的电磁转矩也越大，使加速度越大，转子达到动稳定区所需时间也就越短，起动频率fst越高。 4)转子齿数Zr增多，步距角r就减小，故起动频率fst也随之增高。 5)电动机转动部分的转动惯量(包括转子本身及负载)越小，同样的电磁转矩下产生的角加速度就越大，越容易进入动稳定区，起动频率fst也越高。 6)负载转矩TL增大时，使作用在转子的加速转矩减小，起动频率fst也将降低。,第四节 步进电动机的运行特性,7)电路时间常数增大，控制绕组中电流上升速度变慢，将使电磁转矩变小，起动频率fst也有所降低。 8)电动机的内部或外部阻尼转矩增大时，相当于负载转矩有所增加，相应使起动频率fst降低。 2.起动特性 步进电动机的起动特性和一般电动机不同，它的起动特性是与不失步联系在一起的。 (1)起动矩频特性 当转动惯量J为常数时，起动频率fst和负载转矩TL之间的关系，即fst=f(TL)，称为起动矩频特性，如图1-16中的曲线1所示。,第四节 步进电动机的运行特性,(2)起动惯频特性 当负载转矩TL为常数时，起动频率fst和转动惯量J(主要是负载转动惯量)之间的关系，即fst=f(J)，称为起动惯频特性，如图1-17所示。,第四节 步进电动机的运行特性,3.连续运行频率 步进电动机起动后，当控制脉冲频率连续上升时，能不失步运行的最高频率fsuc称为该电动机的连续运行时的矩频特性，如图1-16中的曲线2所示。,图1-16 步进电动机的矩频特性 1起动 2连续运行,第五节 步进电动机的驱动电源,一、对驱动电源的基本要求 1)驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都要满足步进电动机的要求。 2)要满足步进电动机起动频率和连续运行频率的要求。 3)能最大限度地抑制步进电动机的振荡。 4)工作可靠，抗干扰能力强。 5)成本低、效率高、安装和维护方便。 二、驱动电源的组成 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3个部分，如图1-18所示。,第五节 步进电动机的驱动电源,图1-18 步进电动机驱动电源组成框图,第五节 步进电动机的驱动电源,图1-19 三相单、双六拍单转向运行的反应式 步进电动机驱动电源逻辑关系,第五节 步进电动机的驱动电源,表1-1 RS双稳态触发器的真值,第五节 步进电动机的驱动电源,图1-20 三相单、双六拍单转向运行的步进 电动机驱动电源逻辑关系 注：表示连接到触发器RS3的 输出端，其余类同。,第五节 步进电动机的驱动电源,三、驱动电源的分类 步进电动机的驱动电源有多种形式，分类方法也很多。 1.单一电压型电源 单一电压型电源是最简单的驱动电源，其工作原理如图1-21所示。 2.高、低压切换型电源 高、低压切型电源的工作原理如图1-22所示。,图1-21 单一电压型驱动电源工作原理,第五节 步进电动机的驱动电源,3.电流控制的高、低压切换型电源,图1-23 电流控制的高、低压切换型驱动 电源的工作原理,第五节 步进电动机的驱动电源,4.细分电路电源,图1-24 阶梯波形电流,第六节 步进电动机的参数、选择与使用,一、步进电动机的参数与产品 步进电动的参数除了相数、相绕组的额定电压及电流外，还包括： (1)步距角及步距角误差 步距角为转子每拍转过的空间角。 (2)最大静转矩 它是静态转角特性上的最大转矩值，在很大程度上影响着电动机的负载能力与运行稳定性。 (3)分配方式 它是规定的电动机通电运行方式，步进电动机产品性能指标一般指规定通电方式下的指标。,第六节 步进电动机的参数、选择与使用,(4)极限起动、运行频率 它们分别反映电动机能够不失步地起动和运行时所能施加的最高脉冲频率值。 (5)矩频特性和惯频特性 它们分别反映电动机的转动惯量、转矩与脉冲频率之间的关系，在起动状态和运行状态时相应的矩频特性和惯频特性都会发生变化。 常用的步进电动机产品中，BF为反应式，BY为永磁式，BYG为感应子式永磁步进电动机，其中BF和BYG应用较多。 二、步进电动机的选择与使用,第六节 步进电动机的参数、选择与使用,选择步进电动机时，应首先结合其不同类型的特点及所驱动负载的要求来进行选择。 1)步距角。 2)最大静转矩。 3)结合负载起动与运行的条件选择步进电动机的起动与运行频率。 4)确定电动机的电压、电流、机座号与安装方式。 5)根据所选步进电动机产品型号选择驱动电源。 步进电动机使用中需注意的事项如下：,第六节 步进电动机的参数、选择与使用,1)电动机起动与运行频率均不能超出对应的极限频率，起动与停车时需要渐进地升降频率，防止失步或滑动制动。 2)负载应在电动机的负载能力范围之内，电动机运行中尽量使负载均衡，避免由于突变而引起动态误差。 3)注意电动机静态工作时的情况。 4)步进电动机运行中出现失步现象时，应仔细查找具体故障的原因。,第七节 步进电动机的应用,图1-25 步进电动机应用于绘图仪 1X轴步进电动机 2Y轴步进电动机 3笔爪架,第七节 步进电动机的应用,图1-26 步进电动机用于位置控制 a)开环位置控制 b)闭环位置控制,