電機與電氣控制技術 課件 6-2認識步進電動機

項目六控制電動機任務二認識步進電動機任務描述

步進電動機是常用工業(yè)控制電動機的一種，可以將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移，是一種開環(huán)控制元件，通過控制步進電動機的電脈沖頻率和脈沖數(shù)，可以方便地控制其速度和角位移，廣泛應用于數(shù)控機床、繪圖機、雕刻機、機械手等定位控制系統(tǒng)中。

本任務主要學習步進電動機的分類、結構及工作原理、參數(shù)和控制方式，了解步進控制系統(tǒng)的組成。步進電動機

步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的執(zhí)行機構，是一種專門用于速度和位置精確控制的特種電動機，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步進行的，而不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)。工作時靠步進驅(qū)動器控制，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電動機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為步距角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。圖6-7

步進電動機常見外形步進電動機的分類步進電動機按工作原理分三種：永磁式、反應式、混合式。永磁式步進電動機轉(zhuǎn)子和定子的某一方具有永久磁鋼，另一方由軟磁材料制成。繞組輪流通電，建立的磁場與永久磁鋼的恒定磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小。反應式步進電動機的轉(zhuǎn)子為軟磁材料，無繞組，定轉(zhuǎn)子開小齒，定子繞組勵磁后產(chǎn)生反應力矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，但噪聲和振動都很大?；旌鲜讲竭M電動機混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。與反應式的區(qū)別是轉(zhuǎn)子上置有磁鋼，分為兩相和五相，兩相步進角一般為1.8度，而五相步進角一般為0.72度，這種步進電動機的應用最為廣泛。步進電動機的結構

步進電動機由轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體、轉(zhuǎn)軸、滾珠軸承）、定子（繞組、定子鐵心）、前后端蓋等組成。步進電動機的結構如圖6-8所示，定子和轉(zhuǎn)子如圖6-9所示。步進電動機的機座號主要有35、39、42、57、86、110等。圖6-8步進電動機的結構（a）步進電動機的定子（b）步進電動機的轉(zhuǎn)子圖6-9步進電動機的定子和轉(zhuǎn)子示意圖

步進電動機的工作原理

圖6-10所示為步進電動機的工作原理。假設轉(zhuǎn)子有2個齒，而定子有4個齒。當給A相通電時，定子上產(chǎn)生一個磁場，磁場的S極在上方，而轉(zhuǎn)子是永久磁鐵，轉(zhuǎn)子磁場的N極在上方，因為定子A齒和轉(zhuǎn)子的1齒對齊，所以定子S極和轉(zhuǎn)子的N極相吸引（同理定子N極和轉(zhuǎn)子的S極也相吸引），所以轉(zhuǎn)子沒有切向力，轉(zhuǎn)子靜止。接著，A相繞組斷電，定子的A相磁場消失，給B相繞組通電時，B相繞組產(chǎn)生的磁場，將轉(zhuǎn)子的位置吸引到B相的位置，所以轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒一個角度，也就是帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。圖6-10步進電動機的工作原理示意圖步進電動機的參數(shù)1、步距角

步距角表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電動機所轉(zhuǎn)動的角度。電動機出廠時給出了一個步距角的值這個步距角可以稱為“電動機固有步距角”，它不一定是電動機實際工作時的實際步距角，實際步距角和驅(qū)動器有關。步距角滿足如下公式：式中，Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m為定子繞組相數(shù)；K為通電系數(shù)，當前后通電相數(shù)一致時，K=1，否則K=2。由此可見，步進電動機的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z和定子相數(shù)（或運行拍數(shù)）越大，步距角越小，控制越精確。例1：如果二相的轉(zhuǎn)子齒數(shù)為100，求單拍運行、雙拍運行時的步距角各是多少？解：單拍運行時：雙拍運行時：步進電動機的參數(shù)2、步進電動機的速度

當定子控制繞組按照一定順序不斷地輪流通電時，步進電動機就持續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。步進電動機的轉(zhuǎn)速取決于各相定子繞組通入電脈沖的頻率。其速度為：式中，Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m為定子繞組相數(shù)；K為通電系數(shù)，當前后通電相數(shù)一致時K=1，否則K=2，為電脈沖的頻率，即每秒脈沖數(shù)。例2：如果五相的轉(zhuǎn)子齒數(shù)是100，如果雙拍運行，脈沖頻率是5000HZ，則電動機運轉(zhuǎn)速度是多少？

解：步進電動機的參數(shù)3、步進電動機的相數(shù)

電動機的相數(shù)是指電動機內(nèi)部的繞組組數(shù)，常用m表示。目前常用的有二相、三相、四相、五相、六相、八相等。電動機相數(shù)不同時，步距角也不同。一般二相電動機的步距角為0.9°/1.8°，三相的為0.75°/1.5°，五相的為0.36°/0.72°。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電動機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。4、步進電動機的拍數(shù)拍數(shù)是指完成一個磁場周期變化所需要的脈沖數(shù)，用n表示，或指電動機轉(zhuǎn)過一個步距角所需脈沖數(shù)。根據(jù)步距角的計算公式，步距角與拍數(shù)的關系為：（轉(zhuǎn)子齒數(shù)運行拍數(shù)）。

如：轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50齒的電動機，四拍運行時，步距角

(俗稱整步），八拍運行時，步距角

（又稱為半步）。5、保持轉(zhuǎn)矩

保持轉(zhuǎn)矩是指通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是最重要的參數(shù)之一。通常步進電動機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電動機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成了衡量步進電動機最重要的參數(shù)之一。例如，2N·m的步進電動機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N·m的步進電動機。步進電動機的工作方式

步進電動機的轉(zhuǎn)速取決于各相定子繞組通電與斷電的頻率，旋轉(zhuǎn)方向取決于定子繞組輪流通電的順序。對于定子有6個極的三相步進電動機，工作方式有：單三拍、雙三拍和六拍。1.單三拍工作方式三相是指定子繞組有3組，“單”是指每次切換前后，只有一相繞組通電，“三拍”是指通電三次完成一個通電循環(huán)。工作原理如圖6-11所示。圖6-11三相步進電動機單三拍運行工作原理（1）單三拍工作方式工作原理A相單獨通電時，磁力線沿定子磁極A、轉(zhuǎn)子齒1、齒3形成閉合回路。此時，齒1、齒3的中心線與磁極A的中心線重合，如圖6-11（a）所示。B相單獨通電時，磁力線沿定子磁極B、轉(zhuǎn)子齒2、齒4形成閉合回路，使齒2.齒4與磁極B對準，齒1的中心線順時針轉(zhuǎn)過30°機械角度，如圖6-11（b）所示。C相單獨通電時，磁力線沿定子磁極C、轉(zhuǎn)子齒1、齒3形成閉合回路，使齒1、齒3與磁極C對準，齒1的中心線又順時針轉(zhuǎn)過30°機械角度，如圖6-11（c）所示。依此類推，控制繞組的電流按A-B-C-A的順序切換，轉(zhuǎn)子將順時針一步一步轉(zhuǎn)動，步距角=30°；若控制繞組的電流按A-C-B-A的順序切換，轉(zhuǎn)子則逆時針轉(zhuǎn)動。圖6-11三相步進電動機單三拍運行工作原理2.雙三拍工作方式“雙”是指每次有兩相繞組通電，三拍為一個循環(huán)。工作原理如圖6-12所示。A相、B相同時通電，磁力線分成兩路，一路沿磁極A、齒1、齒4、磁極B形成閉合回路；另一路沿磁極B、齒2、齒3、磁極A形成閉合回路。B相磁場對2、4齒有磁拉力，該拉力使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動；A相磁場也對1、3齒有拉力，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。以磁極A為參考，齒1的中心線順時針轉(zhuǎn)過15°機械角度，如圖6-12（a）所示。B相、C相同時通電，磁力線一路沿磁極B、齒4、齒3、磁極C形成閉合回路；另一路沿磁極C、齒1、齒2、磁極B形成閉合回路。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到BC兩極之間的對稱位置，如圖6-12（b）所示。以磁極A為參考，齒1的中心線在原來的基礎上順時針轉(zhuǎn)過30°機械角度。同理，C相、A相同時通電，轉(zhuǎn)子又順時針轉(zhuǎn)過30°機械角度，如圖6-12（c）所示。根據(jù)上面的分析，雙三拍運行時，步距角與單三拍運行時相同，也是30°（AB相通電前為CA相通電，齒1的中心線在齒A偏左15°位置，即CA相通電到AB相通電這一拍，電動機也是轉(zhuǎn)過30°機械角度）。依此類推，控制繞組的電流按AB→BC→CA→AB的順序切換，轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動；控制繞組的電流按AC→CB→BA→AC的順序切換，轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。圖6-12三相步進電動機雙三拍運行工作原理3.六拍運行方式六拍運行方式是將通電方式改為單相通電、兩相通電交替進行，每六拍為一個循環(huán)?？刂评@組的通電順序按照A→AB→B→BC→C→CA→A進行，工作過程如下：第一拍：A相單獨通電，磁場的分布及轉(zhuǎn)子的位置如圖6-11（a）所示，轉(zhuǎn)子齒1的中心線恰好與定子磁極A的中心線重合，偏移角度為0°。第二拍：A相、B相同時通電，磁場的分布及轉(zhuǎn)子的位置如圖6-12（a）所示，轉(zhuǎn)子齒1的中心線順時針旋轉(zhuǎn)15°。由此可見，三相六拍運行時，每拍的步距角為15°。改變控制繞組的通電順序為A→AC→C→CB→B→BA→A，轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。圖6-12三相步進電動機雙三拍運行工作原理圖6-11三相步進電動機單三拍運行工作原理步進控制系統(tǒng)的組成

步進電動機控制系統(tǒng)由控制器、步進驅(qū)動器和步進電動機構成，如圖6-13所示?？刂破鳎ㄍǔＪ荘LC）發(fā)出脈沖信號和方向信號，步進驅(qū)動器接收這些信號，先進行環(huán)形分配和細分，然后進行功率放大，變成安培級的脈沖信號，驅(qū)動步進電動機，按控