《控制電機》配套PPT課件及習題答案

《控制電機》配套PPT課件及習題答案,控制電機,控制,電機,配套,PPT,課件,習題,答案 第第4章章 步進電動機步進電動機 4.1 概述概述 4.2 反應式步進電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理反應式步進電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理 4.3 反應式步進電動機的靜態(tài)特性反應式步進電動機的靜態(tài)特性 4.4 反應式步進電動機的動態(tài)特性反應式步進電動機的動態(tài)特性 4.5 步進電動機的其它類型及主要性能指標步進電動機的其它類型及主要性能指標 4.6 步進電動機的驅(qū)動電源步進電動機的驅(qū)動電源4.1 概述概述步進電動機將輸入的脈沖電信號變換為階躍的角位移或直線位移，給一個脈沖信號，電動機前進一步，因此稱為步進電動機。（1）控制系統(tǒng)對的基本要求）控制系統(tǒng)對的基本要求 在電脈沖的控制下，步進電動機能迅速起動、正反轉(zhuǎn)、制動和停車，調(diào)速范圍寬廣；步進電動機的步距角要小，步距精度要高，不丟步不越步；工作頻率高、響應速度快。（2）步進電動機的分類）步進電動機的分類按其工作方式不同，可分為功率步進電動機功率步進電動機和和伺服步進電動機伺服步進電動機兩類。按勵磁方式的不同，步進電動機可分為反應式反應式、永磁式永磁式和和感應子式感應子式三類。4.2.1結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點定子鐵心定子鐵心 定子鐵心為凸極結(jié)構(gòu)，由硅鋼片迭壓而成。在面向氣隙的定子鐵心表面有齒距相等的小齒。圖4-1 四相反應式步進電動機的結(jié)構(gòu)定子繞組定子繞組 定子每極上套有一個集中繞組，相對兩極的繞組串聯(lián)構(gòu)成一相。步進電動機可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子上只有齒槽沒有繞組，系統(tǒng)工作要求不同，轉(zhuǎn)子齒數(shù)也不同。4.2 反應式步進電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理反應式步進電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理4.2.2 工作原理工作原理1.工作原理工作原理以四相反應式步進電動機為例。定子有八個極，相對兩極的繞組串聯(lián)成一相，構(gòu)成四相；轉(zhuǎn)子六個齒，齒寬等于定子極靴的寬度。（a）A相通電（b）C相通電（c）B相通電（d）D相通電圖4-2 四相單四拍運行A相繞組通電，在磁阻轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子齒1和4的軸線與定子A極軸線對齊；斷開A相接通C相，轉(zhuǎn)子齒3和6的軸線與C極軸線對齊，轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)過15；斷開C相接通B相，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過15；斷開B相接通D相，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過15。經(jīng)過一個通電循環(huán)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距角齒距角。四相單四拍四相單四拍每次只接通一相繞組的四相供電方式稱為四相單四拍。四相雙四拍四相雙四拍（圖）每次同時接通兩相繞組，如ACCBBDDA，也是四拍一個循環(huán)，則稱為四相雙四拍。雙拍運行與單拍運行時步距角相同，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩一般會增加。四相八拍四相八拍AACCCBBBDDDA。步距角變?yōu)樵瓉淼亩种弧?.運行方式運行方式 拍和步距角拍和步距角電機通電方式變換一次，稱為一拍。每一拍轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度，稱為步距角 。如何使步進電動機反轉(zhuǎn)？4.2.2 工作原理工作原理（圖）（圖）如圖轉(zhuǎn)子上共有50個齒，齒距角定子極距為 個齒。3.實用反應式步進電動機實用反應式步進電動機如何減小步距角？增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)，同時在定子極面上開槽，定、轉(zhuǎn)子的齒形要相同。圖4-1 四相反應式步進電動機的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子齒數(shù)應滿足4.2.2 工作原理工作原理 四相單四拍運行四相單四拍運行通電方式為ACBD。A相繞組通電，轉(zhuǎn)子齒軸線和定子磁極A上的齒軸線對齊；斷開A相接通C相，在磁阻轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)過四分之一齒距角（1.8），使轉(zhuǎn)子齒軸線和定子磁極C下的齒軸線對齊；。圖4-4 A相通電時定、轉(zhuǎn)子齒的相對位置 每換接一次繞組，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過14齒距角。四步完成一個循環(huán)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過7.2 4.2.2 工作原理工作原理 四相八拍運行四相八拍運行 通電方式為AACCCBBBDDDA。A相繞組通電，轉(zhuǎn)子齒軸線和定子磁極A上的齒軸線對齊；圖4-5 A、C兩相通電時定、轉(zhuǎn)子齒的相對位置A、C兩相同時通電時，轉(zhuǎn)子順時針方向只轉(zhuǎn)過1/8齒距角（0.9）；。每換接一次繞組，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過18齒距角。四相八拍運行時的步距角是四相四拍運行時的一半。四相雙四拍運行四相雙四拍運行通電方式為ACCBBDDA。步距角與四相單四拍運行時一樣為1/4齒距角，即1.8。4.2.2 工作原理工作原理4.2.3基本特點基本特點1每相脈沖每相脈沖頻頻率率 步進電機的系統(tǒng)框圖步進電機的系統(tǒng)框圖 脈沖電源環(huán)形分配器放大器步進電動機 圖4-6 脈沖控制方框圖“環(huán)形分配器”按給定規(guī)律分配輸入脈沖。對于三相步進電動機，環(huán) 形分配器是一路輸入，三路輸出。三相單三拍運行時，第一個電脈沖分給A相；第二個電脈沖分給B 相；第三個電脈沖分給C相，完成一個循環(huán)。三相雙三拍運行時各相驅(qū)動信號波形圖。圖4-7 三相單三拍驅(qū)動信號波形圖每個循環(huán)包含的通電狀態(tài)數(shù)稱為“拍數(shù)”。拍數(shù)可等于相數(shù)或相數(shù)的二倍。每相脈沖每相脈沖頻頻率率 每循環(huán)一次，控制電脈沖的個數(shù)總等于拍數(shù)N，而加在每相繞組上的脈沖電壓的個數(shù)卻等于1。若控制電脈沖頻率為 ，每相脈沖頻率用 表示，則 4.2.2 工作原理工作原理2步距角步距角每輸入一個脈沖電信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，用符號 表示。步距角為（機械角度）N為運行拍數(shù)，m為電機相數(shù)。步距角與拍數(shù)N及轉(zhuǎn)子齒數(shù)Zt有關(guān)。減小步距角，可提高控制精度。在一個齒距內(nèi)磁場變化一個周期，用電角度表示時，一個齒距就對應360電角度（或 電弧度)。用電角度（或電弧度）表示的齒距角為 。用電角度表示時，步距角為（電角度）（電弧度）或 用電角度表示步距角時，步距角與轉(zhuǎn)子齒數(shù)無關(guān)。4.2.2 工作原理工作原理3轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速n輸入一個脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過整個圓周角的 ，即轉(zhuǎn)過 轉(zhuǎn)。所以轉(zhuǎn)速為 f 為控制脈沖的頻率，即每秒輸入的脈沖數(shù)。反應式步進電動機的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)，與電源電壓、負載、溫度等因素無關(guān)。改變脈沖頻率可以改變轉(zhuǎn)速，故可進行無級調(diào)速。步進電動機的轉(zhuǎn)速還可用步距角表示改變通電順序，可以控制電機轉(zhuǎn)向。4.2.2 工作原理工作原理4.步進電動機具有自鎖能力步進電動機具有自鎖能力當控制電脈沖停止輸入，而讓最后一個脈沖控制的繞組繼續(xù)通入直流電時，則電機轉(zhuǎn)子可以保持在固定的位置上，即停在最后一個脈沖控制的角位移的終點位置上。這樣，步進電動機可以實現(xiàn)停轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子定位。4.2.2 工作原理工作原理規(guī)定定子、轉(zhuǎn)子齒軸線重合的位置為靜態(tài)空載情況下的初始穩(wěn)定平衡位置，而轉(zhuǎn)子偏離初始穩(wěn)定平衡位置的電角度稱為失調(diào)角 。4.3 反應式步進電動機的靜態(tài)特性反應式步進電動機的靜態(tài)特性 靜止狀態(tài)步靜止狀態(tài)步 步進電動機一相或幾相通入恒定不變的直流電流，這時轉(zhuǎn)子將固定于某一位置上保持不動，稱為靜止狀態(tài)。失調(diào)角失調(diào)角 圖4-9 初始平衡位置與失調(diào)角在靜止狀態(tài)下，電磁轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間的函數(shù)關(guān)系 ，稱為步進電動機的矩角特性。靜態(tài)特性靜態(tài)特性 單相通電時，通電相極下所有齒都產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，由于同一相極下所有定子齒和轉(zhuǎn)子齒相對應的位置都相同，因而電機總轉(zhuǎn)矩為通電相極下各定子齒所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩之和。4.3.1 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩靜態(tài)轉(zhuǎn)矩TA相通電時，有在dt時間內(nèi)輸入的電能為4.3 反應式步進電動機的靜態(tài)特性反應式步進電動機的靜態(tài)特性式中第一部分 為電阻損耗；第二部分 為磁場儲能，是電機對外做功的能源。電磁轉(zhuǎn)矩T驅(qū)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過偏轉(zhuǎn)角 時，步進電動機對外輸出的機械能 ，從能量平衡關(guān)系 即靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為在線性系統(tǒng)中若控制繞組中的電流I為常數(shù)，每相控制繞組是兩個極上繞組串接而成，且每極繞組的匝數(shù)為N，則 4.3.1 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 為每極控制繞組的磁動勢；為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；為氣隙磁導對失調(diào)角的變化率。氣隙磁導 可表示為 為氣隙比磁導；為定子每極下的小齒數(shù)；為鐵心長度。圖4-10 氣隙比磁導定義圖4.3.1 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩靜態(tài)轉(zhuǎn)矩氣隙比磁導的大小和齒的形狀、齒寬與齒距之比、氣隙與齒距之比及齒部的飽和度有關(guān)，且是失調(diào)角的周期性函數(shù)，其周期為齒距 。用傅氏級數(shù)表示為 忽略高次諧波影響影響時，氣隙比磁導為由此可得靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T是失調(diào)角 的正弦函數(shù)，它的作用總是使轉(zhuǎn)子位置趨向于失調(diào)角為零；在結(jié)構(gòu)一定且磁路不飽和的條件下靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的大小與I2成正比。4.3.1 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 為最大靜轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩。最大靜轉(zhuǎn)矩直接影響步進電動機的負載的能力和性能，是重要的性能指標之一。4.3.2 矩角特性矩角特性矩角特性是控制繞組通電狀態(tài)不變時，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系，即靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系 。1.單相控制的矩角特性單相控制的矩角特性圖4-11 單相控制的矩角特性2.多相通電時的矩角特性多相通電時的矩角特性一般來說，多相通電時的矩角特性以及最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與單相通電時不同。多相通電時的矩角特性可近似地由每相各自通電時的矩角特性疊加起來求出。三相步進電動機當兩相通電時（如三相步進電動機當兩相通電時（如A、B兩相）的矩角特性兩相）的矩角特性圖4-12 A相、B相定子齒相對轉(zhuǎn)子齒的位置設A通電時，距角特性為則B通電時，距角特性為4.3.2 矩角特性矩角特性當A、B兩相同時通電時合成矩角特性應為 （a）矩角特性 （b）轉(zhuǎn)矩矢量圖 圖4-13 三相步進電動機單相、兩相通電時的轉(zhuǎn)矩它是一條幅值不變、相移60的正弦曲線。4.3.2 矩角特性矩角特性五相步進電機的單相、二相、三相通電時矩角特性五相步進電機的單相、二相、三相通電時矩角特性 圖4-l4 五相步進電動機單相、二相、三相通電時的矩角特性 圖4-15 五相步進電動機轉(zhuǎn)矩矢量圖 二相和三相通電時矩角特性相對A相矩角特性分別移動了36和72，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值兩者相等。因此，五相步進電動機可采用二相三相運行方式。4.3.2 矩角特性矩角特性 m相電機，相電機，n相同時通電時的矩角特性相同時通電時的矩角特性 n相同時通電時 為單拍制運行方式時的步距角；4.3.2 矩角特性矩角特性例如五相步進電動機兩相通電時轉(zhuǎn)矩最大值為三相通電時轉(zhuǎn)矩最大值為應當注意，最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 與控制繞組中電流的平方成正比，其前提條件是磁路不飽和，實際上當電流達到一定數(shù)值后，磁路開始飽和，正比關(guān)系被破壞，隨I增大，增大得越來越慢。圖4-l6 最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與控制電流的關(guān)系4.3.2 矩角特性矩角特性不穩(wěn)定平衡點不穩(wěn)定平衡點 在 ，雖然也有 ，但 或 后，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與 的方向一致，驅(qū)使轉(zhuǎn)子背離穩(wěn)定平衡點，故 的位置稱為不穩(wěn)定平衡點。穩(wěn)定平衡點穩(wěn)定平衡點 當 時，該位置稱為穩(wěn)定平衡點。靜穩(wěn)定區(qū)靜穩(wěn)定區(qū) 在 區(qū)間內(nèi)，與 方向相反，總是阻止 變化，若由于外力矩使轉(zhuǎn)子偏離穩(wěn)定平衡點，只要在上述范圍內(nèi)，一旦去掉外力，轉(zhuǎn)子就能在靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的作用下返回到穩(wěn)定平衡點。區(qū)間 稱為靜穩(wěn)定區(qū)。4.3.3 靜穩(wěn)定區(qū)靜穩(wěn)定區(qū)4.4 反應式步進電動機的動態(tài)特性反應式步進電動機的動態(tài)特性動態(tài)特性是指脈沖電壓按一定的分配方式加到各控制繞組上，步進電動機所具有的特性。脈沖頻率不同，步進電動機的運行性能也不同。分為三個區(qū)段分析：脈沖頻率極低的步進運行 高頻率脈沖的連續(xù)運行 介于上述兩段脈沖頻率之間的運行當步進電動機處于矩角特性曲線“n”所對應的穩(wěn)定狀態(tài)時，輸入一個脈沖，使其控制繞組改變通電狀態(tài)，矩角特性向前躍移一個步距角 ，穩(wěn)定平衡點也由0變?yōu)?，相對應的靜穩(wěn)定區(qū)為 。在改變通電狀態(tài)時，只有當轉(zhuǎn)子起始位置在此區(qū)間，才能使它向 點運動，達到該穩(wěn)定平衡位置。因此把區(qū)域 稱 為動穩(wěn)定區(qū)。1.動穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定裕度動穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定裕度動穩(wěn)定區(qū)動穩(wěn)定區(qū) 是指步進電動機從一種通電狀態(tài)切換到另一種通電狀態(tài)，不至引起失步的區(qū)域。4.4.1 步進運行狀態(tài)時的動態(tài)特性步進運行狀態(tài)時的動態(tài)特性控制電脈沖的間隔時間大于步進電動機過渡過程所需的時間，稱為步進運行狀態(tài)。穩(wěn)定裕度穩(wěn)定裕度 把矩角特性曲線“n”的穩(wěn)定平衡點0離開曲線(n+1)的不穩(wěn)定平衡點的距離 ，稱為“穩(wěn)定裕度”。穩(wěn)定裕度為 為單拍制運行時的步距角?？梢?，反應式步進電動機的相數(shù)必須大于2。4.4.1 步進運行狀態(tài)時的動態(tài)特性步進運行狀態(tài)時的動態(tài)特性2.最大負載能力（起動轉(zhuǎn)矩）最大負載能力（起動轉(zhuǎn)矩）步進電動機在步進運行時所能帶動的最大負載，可由相鄰兩條矩角特性交點所對應的電磁轉(zhuǎn)矩 來確定。圖4-18 最大負載能力的確定情況情況1：負載轉(zhuǎn)矩 時，A相通電時，轉(zhuǎn)子處于a點；改由B相通電時，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定后位于b點，前進一步。情況情況2：負載轉(zhuǎn)矩 時，A相通電時，轉(zhuǎn)子處于a”點；改由B相通電時，轉(zhuǎn)子不能前進。若矩角特性為幅值相同的正弦波，則只有拍數(shù)N 2時，起動轉(zhuǎn)矩 大于零。4.4.1 步進運行狀態(tài)時的動態(tài)特性步進運行狀態(tài)時的動態(tài)特性自由振蕩過程自由振蕩過程 繞組由A相通電到B相通電后，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子位置由 O(a)b c a b c3.轉(zhuǎn)子的自由振蕩過程轉(zhuǎn)子的自由振蕩過程步進電動機在步進運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)子是經(jīng)過一個振蕩過程后才穩(wěn)定在平衡位置的。（a）示意圖 （b）振蕩曲線 圖4-1 9 無阻尼時轉(zhuǎn)子的自由振蕩A相通電，轉(zhuǎn)子處于失調(diào)角 的位置，對應于原點O；換接到B相通電，穩(wěn)定后轉(zhuǎn)子在 的b點。4.4.1 步進運行狀態(tài)時的動態(tài)特性步進運行狀態(tài)時的動態(tài)特性自由振蕩角頻率 與振蕩的幅值有關(guān)。當拍數(shù)很大、步距角很小時，振蕩的振幅就很小,這時振蕩的角頻率稱為固有振蕩角頻率，用 表示，理論上可以證明固有振蕩角頻率為 圖4-20 與振蕩的幅值的關(guān)系自由振自由振蕩蕩的幅的幅值值、頻頻率和周期率和周期 自由振蕩的幅值為步距角 。若振蕩角頻率用 表示，相應的振蕩頻率和周期為，隨著拍數(shù)減少，步距角增大，自由振蕩的振幅也增大，自由振蕩頻率就降低。比值與振蕩的幅值（即步距角）的關(guān)系如圖4-20所示。4.4.1 步進運行狀態(tài)時的動態(tài)特性步進運行狀態(tài)時的動態(tài)特性衰減振蕩衰減振蕩 由于軸上的摩擦，風阻及內(nèi)部電阻尼等存在，單步運動時轉(zhuǎn)子環(huán)繞平衡位置的振蕩過程總是衰減的。阻尼作用越大，衰減得越快，最后仍穩(wěn)定于平衡位置附近。必須指出，單步運行時所產(chǎn)生的振蕩現(xiàn)象對步進電動機的運行是很不利的，它影響了系統(tǒng)的精度，帶來了振動及噪音。嚴重時甚至使轉(zhuǎn)子丟步。為了使轉(zhuǎn)子振蕩衰減得快，在步進電動機中往往專門設置了特殊的阻尼器。圖4-21 阻尼時轉(zhuǎn)子的衰減振蕩4.4.1 步進運行狀態(tài)時的動態(tài)特性步進運行狀態(tài)時的動態(tài)特性 在分析靜態(tài)矩角特性時得最大靜轉(zhuǎn)矩 ，在分析步進運行時又得到最大負載能力 。4.4.2 連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性當步進電動機在輸入脈沖頻率f較高，其周期比轉(zhuǎn)子振蕩過渡過程時間還短時，轉(zhuǎn)子作連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運動，這種運行狀態(tài)稱作連續(xù)運行狀態(tài)。1.動態(tài)轉(zhuǎn)矩動態(tài)轉(zhuǎn)矩步進電動機在連續(xù)運行狀態(tài)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。當控制脈沖頻率達到一定數(shù)值之后，頻率再升高，由于定子繞組電感的影響，繞組電流的波形由低頻時的近似矩形波變?yōu)楦哳l時的近似三角波，其幅值和平均值都較小，使動態(tài)轉(zhuǎn)矩大大下降，負載能力降低。不同控制頻率時的電流波形此外，控制脈沖頻率升高時，鐵心中渦流增加，使動態(tài)轉(zhuǎn)矩下降。2.運行矩頻特性運行矩頻特性當控制脈沖頻率達到一定數(shù)值之后，再增加頻率，由于電感和渦流作用使動態(tài)轉(zhuǎn)矩減小。可見，動態(tài)轉(zhuǎn)矩是電源脈沖頻率的函數(shù)，把這種函數(shù)關(guān)系稱為步進電動機運行時的轉(zhuǎn)矩-頻率特性，簡稱為運行矩頻特性。矩頻特性表明，在一定控制脈沖頻率范圍內(nèi)，隨頻率升高，電機的功率和轉(zhuǎn)速都相應地提高，超出該范圍則隨頻率升高轉(zhuǎn)矩下降，步進電動機帶負載的能力也逐漸下降，到某一頻率以后，就帶不動任何負載，而且只要受到一個很小的擾動，就會振蕩、失步以至停轉(zhuǎn)。圖4-22 運行矩頻特性 4.4.2 連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性 。例如，步進電動機70BF03，其空載運行頻率，Hz額定負載運行頻率為 Hz。最高連續(xù)運行頻率是步進電動機的重要技術(shù)指標。最高連續(xù)運行頻率與負載的大小有關(guān)，一般分空載運行頻率，和額定負載運行頻率 。3.最高連續(xù)運行頻率最高連續(xù)運行頻率當控制電源的脈沖頻率連續(xù)提高時，在一定性質(zhì)和大小的負載下，步進電動機能正常連續(xù)運行時（不丟步、不失步）所能加到的最高頻率稱為最高連續(xù)運行頻率最高連續(xù)運行頻率或最高跟蹤頻率。4.4.2 連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性4.低頻共振和低頻丟步現(xiàn)象低頻共振和低頻丟步現(xiàn)象低頻丟步現(xiàn)象低頻丟步現(xiàn)象 是指步進電動機在低頻運行時，轉(zhuǎn)子運動步數(shù)少于給定脈沖數(shù)的現(xiàn)象。是否丟步與下一脈沖到來時轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)。不同脈沖頻率時轉(zhuǎn)子的位置如圖4-23所示。圖4-23 不同脈沖周期的轉(zhuǎn)子位置4.4.2 連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性低頻丟步的物理過程低頻丟步的物理過程 以三相步進電動機為例。正常情況正常情況 A a0B b0C c0丟步情況丟步情況A a0經(jīng)BCA三個脈沖后轉(zhuǎn)子仍在a0點，丟，丟3步。步。圖4-24 步進電動機的低頻丟步如果阻尼作用比較強，那么電機振蕩衰減得比較快，轉(zhuǎn)子振蕩回擺的幅值就比較小，轉(zhuǎn)子對應于R點的位置如果處在動穩(wěn)定區(qū)之內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩就是正的，電機就不會失步。另外拍數(shù)越多，步距角越小，動穩(wěn)定區(qū)接近靜穩(wěn)定區(qū)，這樣也可以消除低頻失步。4.4.2 連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性低頻共振現(xiàn)象低頻共振現(xiàn)象 當控制脈沖頻率等于轉(zhuǎn)子振蕩頻率的1K倍時，如果阻尼作用不強，即使電機不發(fā)生低頻失步，也會產(chǎn)生強烈振動，這就是步進電機低頻共振現(xiàn)象。圖4-25表示K=2時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子運動規(guī)律，可見具有明顯的振蕩特性。共振時，電機就會出現(xiàn)強烈振動，甚至失步而無法工作，所以一般不容許電機在共振頻率下運行。如果采用較多拍數(shù)，再加上一定的阻尼和干摩擦負載，電機振動的振幅可以減小，并能穩(wěn)定運行。圖4-25 低頻共振時的轉(zhuǎn)子運動規(guī)律4.4.2 連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性5.高頻振蕩高頻振蕩高頻振蕩高頻振蕩是指脈沖電壓的頻率達到相當高時，電機出現(xiàn)明顯的振蕩現(xiàn)象。如果脈沖頻率快速越過這一頻段達到更高值時，電動機仍能繼續(xù)穩(wěn)定運行。高頻振蕩的原因高頻振蕩的原因是由于步進電動機定、轉(zhuǎn)子上有齒槽存在，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中在控制繞組中感應一個交變電動勢和交流電流，產(chǎn)生一個對轉(zhuǎn)子運動起制動作用的電磁轉(zhuǎn)矩。該轉(zhuǎn)矩將隨著轉(zhuǎn)速的上升而下降，即具有負阻尼性質(zhì)，因而使轉(zhuǎn)子的運動有產(chǎn)生自發(fā)振蕩的性質(zhì)。在嚴重的情況下，電動機要失步甚至停轉(zhuǎn)。步進電動機鐵心表面的附加損耗和轉(zhuǎn)子對空氣的摩擦損耗等形成阻尼轉(zhuǎn)矩，它隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大，若與電磁阻尼轉(zhuǎn)矩配合恰當，則電機總的內(nèi)阻尼轉(zhuǎn)矩特性可能不出現(xiàn)負阻尼區(qū)，高頻振蕩現(xiàn)象也就不會出現(xiàn)。4.4.2 連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性連續(xù)運行狀態(tài)時的動態(tài)特性步進電動機的起動性能用起動矩頻特性、起動慣頻特性和起動頻率來描述。1.起動矩頻特性起動矩頻特性起動矩頻特性起動矩頻特性 在給定驅(qū)動電源的條件下，負載轉(zhuǎn)動慣量一定時，起動頻率 與負載轉(zhuǎn)矩 的函數(shù)關(guān)系 ，稱作起動矩頻特性。圖4-26 起動矩頻特性轉(zhuǎn)動慣量一定時，隨著負載的增加，其起動頻率是下降的。4.4.3 步進電動機的起動特性步進電動機的起動特性2.起動慣頻特性起動慣頻特性起動慣頻特性起動慣頻特性 在給定驅(qū)動電源的條件下，負載轉(zhuǎn)矩不變時，起動頻率 與負載轉(zhuǎn)動慣量 的函數(shù)關(guān)系 ，稱作起動慣頻特性。負載轉(zhuǎn)矩不變時，隨著轉(zhuǎn)動慣量的增加，起動頻率也是下降的。圖4-27 起動慣頻特性4.4.3 步進電動機的起動特性步進電動機的起動特性3.起動頻率起動頻率電機正常起動時（不丟步、不失步）所能加的最高控制頻率稱為起動起動頻率或突跳頻率頻率或突跳頻率。起動頻率與負載大小有關(guān)，因而指標分空載起動頻率 和負載起動頻率 。比 低得多。例如，70BF03步進電動機，Hz，在0.1176 N.m的負載下起動頻率 Hz。增大電動機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩；提高起動頻率的措施提高起動頻率的措施 減小轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量；增加拍數(shù)，減小步距角。4.4.3 步進電動機的起動特性步進電動機的起動特性4.5 步進電動機的其它類型及主要性能指標步進電動機的其它類型及主要性能指標4.5.1 步進電動機的其它類型步進電動機的其它類型1.多段反應式步進電動機多段反應式步進電動機結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 軸向磁路多段式步進電動機的結(jié)構(gòu)如圖4-28所示。定、轉(zhuǎn)子鐵心均沿電機軸向按相數(shù)分段，每一組定子鐵心放置一相環(huán)形的控制繞組。定、轉(zhuǎn)子圓周上沖有形狀和數(shù)量相同的小齒。定子鐵心（或轉(zhuǎn)子鐵心）每相鄰兩段錯開1/m齒距。特點特點 定子空間利用率較好，環(huán)形控制繞組繞制較方便；轉(zhuǎn)子的慣量較低；步距角也可以做得較小，起動和運行頻率較高。但是在制造時，鐵心分段和錯位工藝較復雜，精度不易保證。圖4-28 多段式軸向磁路反應式步進電動機 1-線圈；2-定子；3-轉(zhuǎn)子；4-引線4.5.1 步進電動機的其它類型步進電動機的其它類型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 永磁式步進電動機定子上有兩相或多相繞組，轉(zhuǎn)子為一對或幾對極的星形磁鋼，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子每相的極數(shù)相同。2.永磁式步進電動機永磁式步進電動機圖4-29 永磁式步進電動機工作原理工作原理 當定子繞組按AB(-A)(-B)輪流通直流脈沖時，轉(zhuǎn)子依次轉(zhuǎn)過45，一個循環(huán)轉(zhuǎn)過180，步距角為45。特點特點 步距角大；起動頻率較低；控制功率小；在斷電情況下有定位轉(zhuǎn)矩；有強的內(nèi)阻尼力矩；要求電源供給正負脈沖，使電源的變得復雜。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 兩相感應子式永磁步進電動機的定子結(jié)構(gòu)與單段反應式步進電動機相同，1、3、5、7極上的控制繞組串聯(lián)為A相，2、4、6、8極上的控制繞組串聯(lián)為B相。轉(zhuǎn)子是由環(huán)形磁鐵和兩端鐵心組成。兩端轉(zhuǎn)子鐵心上沿外圓周開有小齒，兩端鐵心上的小齒彼此錯過1/2齒距。定、轉(zhuǎn)子齒數(shù)的配合與單段反應式步進電動機相同。3.感應子式永磁步進電動機感應子式永磁步進電動機圖4-30 感應子式永磁步進電動機4.5.1 步進電動機的其它類型步進電動機的其它類型工作原理工作原理 轉(zhuǎn)子磁鋼充磁后，A端為N極，B端為S極；A相通電時，定子1、3、5、7極上的極性為N、S、N、S。定子磁極1和5上的齒在A端則與轉(zhuǎn)子槽對齊，磁極3和7上的齒與A端上的轉(zhuǎn)子齒對齊；B相通電時，由于B相四個極（2、4、6、8極）上的齒與轉(zhuǎn)子齒都錯開1/4齒距，轉(zhuǎn)子前進1/4齒距；由于定子同一個極的兩端極性相同，轉(zhuǎn)子兩端極性相反，但錯開半個齒距，所以當轉(zhuǎn)子偏離平衡位置時，兩端作用轉(zhuǎn)矩的方向是一致的。4.5.1 步進電動機的其它類型步進電動機的其它類型或 （電角度）當定子各相繞組按順序通以直流脈沖時，其步距角為（機械角）特點特點 步距角?。黄饎雍瓦\行頻率高；效率高；具有定位轉(zhuǎn)矩。兼有反應式和永磁式步進電動機兩者的優(yōu)點。但是它需要有正、負電脈沖供電，并且在制造時比較復雜。4.5.1 步進電動機的其它類型步進電動機的其它類型4.直線和平面式步進電動機直線和平面式步進電動機在控制脈沖作用下，直線步進電動機做直線運動，平面步進電動機做平面運動。直線步進電動機直線步進電動機定子：形極片；永久磁鐵；控制繞組。動子：軟磁材料開槽。位置關(guān)系：a和c間為1.5t a和a間為kt a和d間為（k+1/4）t 圖4-31 直線步進電動機1-永久磁鐵；2-形極片；3-控制繞組4.5.1 步進電動機的其它類型步進電動機的其它類型A相正向通電相正向通電 中磁通加強，中磁通削弱 轉(zhuǎn)子位置如圖a）；B相正向通電相正向通電 中磁通加強，中磁通削弱 轉(zhuǎn)子位置如圖b）；A相反向通電相反向通電 中磁通加強，中磁通削弱 轉(zhuǎn)子位置如圖c）；B相反向通電相反向通電 中磁通加強，中磁通削弱 轉(zhuǎn)子位置如圖d）；圖4-31 直線步進電動機1-永久磁鐵；2-形極片；3-控制繞組要使動子向左移動，將上述四個階段的通電順序倒過來即可。4.5.1 步進電動機的其它類型步進電動機的其它類型平面步進電動機平面步進電動機 平面式步進電動機可看作是兩個直線步進電動機的組合。定子為一塊平板，其上開有X軸和Y軸方向的齒槽。定子齒排成方格形，槽中注入環(huán)氧樹脂；動子由兩臺上述這樣的直線步進電動機組成。它們分別保證動子沿互相垂直的X軸和Y軸移動。這樣，只要設計適當?shù)目刂瞥绦?，借以產(chǎn)生一定的脈沖信號，就可以使動子在XY平面上作任意幾何軌跡的運動，并定位在平面上任何一點。圖4-32平面步進電動機1-平臺；2-磁鋼；3-磁極平面步進電動機采用氣墊裝置，將動子支承起來，使動子移動時，不與定子直接接觸，因而無摩擦，且慣性小、噪音低、可快速移動。4.5.1 步進電動機的其它類型步進電動機的其它類型4.5.2 步進電動機的主要性能指標步進電動機的主要性能指標1.最大靜轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩 最大靜轉(zhuǎn)矩 是指在規(guī)定的通電相數(shù)下矩角特性上的轉(zhuǎn)矩最大值。通常在技術(shù)數(shù)據(jù)中所規(guī)定的最大靜轉(zhuǎn)矩是指一相繞組通上額定電流時的最大轉(zhuǎn)矩值。按最大靜轉(zhuǎn)矩的大小可把步進電動機分為伺服步進電動機和功率步進電動機。伺服步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩較小，有時需要經(jīng)過液壓力矩放大器或伺服功率放大系統(tǒng)放大后再去帶動負載。而功率步進電動機可直接帶動負載，使系統(tǒng)簡化，傳動精度提高。2.步距角步距角 步距角 是指輸入一個電脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。步距角的大小直接影響步進電動機的起動頻率和運行頻率。相同尺寸的步進電動機，步距角小的起動、運行頻率較高。3.靜態(tài)步距角誤差靜態(tài)步距角誤差靜態(tài)步距角誤差靜態(tài)步距角誤差 是指實際步距角與理論步距角之間的差值，常用理論步距角的百分數(shù)或絕對值來表示。4.起動頻率和起動頻率特性起動頻率和起動頻率特性起動頻率起動頻率 是指步進電動機能夠不失步起動的最高脈沖頻率。技術(shù)數(shù)據(jù)中給出空載和負載起動頻率。實際使用時，大多是在負載情況下起動，所以又給出起動的矩頻特性，以便確定負載起動頻率。5.運行頻率和運行矩頻特性運行頻率和運行矩頻特性運行頻率運行頻率 是指步進電動機起動后，控制脈沖頻率連續(xù)上升而不失步的最高頻率。通常在技術(shù)數(shù)據(jù)中也給出空載和負載運行頻率，運行頻率的高低與負載阻轉(zhuǎn)矩的大小有關(guān)，所以又給出了運行矩頻特性。4.5.2 步進電動機的主要性能指標步進電動機的主要性能指標4.6步進電動機的驅(qū)動電源步進電動機的驅(qū)動電源步進電動機及其驅(qū)動電源是一個相互聯(lián)系的整體。步進電動機的運行性能是由電動機和驅(qū)動電源兩者配合所反映出來的綜合效果。步進電動機的驅(qū)動電源，基本上包括變頻信號源、脈沖分配器和脈沖放大器三個部分。圖4-33 步進電動機驅(qū)動電源方框圖按脈沖的供電方式來分有：單一電壓型電源；高、低壓切換型電源；電流控制的高、低壓切換型電源；細分電路電源等。著重介紹常用的單一電壓型和高、低壓切換型兩種電源。1.單一電壓型驅(qū)動電源單一電壓型驅(qū)動電源單一電壓型電源是最簡單的驅(qū)動電源，其原理電路如圖4-34所示。為高電平時VT1導通，繞組通電；為低電平時VT1關(guān)斷，繞組斷電。圖4-34 單一電壓型驅(qū)動電源 作用作用 減小電路的時間常數(shù) ，這樣可增大動態(tài)轉(zhuǎn)矩，提高起動和連續(xù)運行頻率，并使起動和運行矩頻特性下降緩慢。C的作用的作用 可強迫控制電流加快上升，使電流波形前沿更陡，改善波形。VD1和和 的作用的作用 形成放電回路，限制功率管VT1上的電壓，保護功率管。單一電壓型電源線路簡單、功放元件少、成本低，但效率較低。4.6步進電動機的驅(qū)動電源步進電動機的驅(qū)動電源2.高、低壓切換型驅(qū)動電源高、低壓切換型驅(qū)動電源高、低壓切換型電源，其原理電路如圖4-35所示。步進電動機的每一相控制繞組需要有兩只功率元件串聯(lián)，它們分別由高壓和低壓兩種不同的電源供電。圖4-35 高、低壓切換型驅(qū)動電源 高壓供電是用來加速電流的上升速度，改善電流波形的前沿，而低壓是用來維持穩(wěn)定的電流值。的作用調(diào)節(jié)控制繞組的電流值，使各相電流平衡。VD2及 作用是構(gòu)成續(xù)流電路。這種電源效率較高，起動和運行頻率也比單一電壓型電源要高。4.6步進電動機的驅(qū)動電源步進電動機的驅(qū)動電源3.電流控制的高、低壓切換電源電流控制的高、低壓切換電源帶有連續(xù)電流檢測的高、低壓驅(qū)動電源是在高、低壓切換型電源的基礎(chǔ)上，多加了一個電流檢測控制線路，使高壓部分的電流斷續(xù)加入，以補償因控制繞組的旋轉(zhuǎn)電動勢和相間互感等原因所引起的電流波頂下凹造成的轉(zhuǎn)矩下降。它是根據(jù)主回路電流的變化情況，反復地接通和關(guān)斷高壓電源，使電流波頂維持在需求的范圍內(nèi)，步進電動機的運行性能得到了顯著的提高，相應使起動和運行頻率升高。因在線路中增加了電流反饋環(huán)節(jié)，使其結(jié)構(gòu)較為復雜，成本提高。4.6步進電動機的驅(qū)動電源步進電動機的驅(qū)動電源4.步進電動機驅(qū)動電源實例步進電動機驅(qū)動電源實例下面以LQ-1500打印機字車步進電動機驅(qū)動電源及控制線路為例，說明步進電動機在實際工作中的應用。打印機在打印前必須把打印頭移動到要求開始打印的點上，在打印不同字體的字符時，又要求打印頭以不同的速度沿著打印紙做出水平移動。這些操作都由主CPUZ80通過從CPU 8042（11 D）控制和驅(qū)動字車步進電動機，帶動齒輪、齒皮帶及機頭小車等傳動機構(gòu)來完成的。（1）系統(tǒng)的組成 8042是INTEL公司的通用外圍接口（UPI）8位微處理器 13C（PA79C）是一種達林頓電路堆，具有很高的電流放大系數(shù)。STK6982是一種專門用于驅(qū)動步進電動機的集成電路。字車步進電動機，有LA、LB、LC、LD四個控制繞組。4.6步進電動機的驅(qū)動電源步進電動機的驅(qū)動電源（2）過程分析）過程分析驅(qū)動驅(qū)動 以A、B兩相為例。開始8042的P21高電平4腳低電平5腳高電平線圈LA通電，回路為VP（+24V）12LA48R1GP（-）；與此同時，線圈LB無電流通過。反之，若8042的P21線輸出低電平，線圈LB 通電而線圈LA無電流通過。C、D兩相和A、B兩相類似，由8042的P20來控制它們的導通，STK6982中的TR8驅(qū)動線圈LC，TR7驅(qū)動線圈LD。限流限流 在LQ-1500打印機中，步進電動機每相控制繞組的直流電阻僅4左右，若不加限制，驅(qū)動電流可達6 A，要求工作電流應控制在(0.50.9)A之間。4.6步進電動機的驅(qū)動電源步進電動機的驅(qū)動電源 電流上升回路為VP（+24V）12LA48R1GP（-），電流以最大值為6A的趨勢快速上升。電流下降回路變?yōu)閂P56電阻D33LA48R1GP（-），此時線圈LA中的電流下降。線圈LA中的電流限制在0.5A到0.9A之間。保持保持 當步進電動機處于鎖定時，它要求的力矩較小，因此可降低線圈中的電流。這時8042就在P22端送出一個高電平到STK6982的引腳HOLD端，即保持端?；芈窞閂P56電阻D33LA48R1GP（-），線圈LA中的電流在0.2 A左右。這里采用了大電流運行，小電流保持的工作方式，當步進電動機運行時，必須先撤銷這個保持信號。4.6步進電動機的驅(qū)動電源步進電動機的驅(qū)動電源四相單四拍四相單四拍A C B D四相雙四拍四相雙四拍ACCB BD DA 四相單八拍四相單八拍 A AC C CB B BD D DA 圖4-30 感應子式永磁步進電動機圖4-31 直線步進電動機1-永久磁鐵；2-形極片；3-控制繞組圖4-36 字車步進電動機驅(qū)動電路 圖 4-37 STK6982