控制電機(jī)第五章步進(jìn)電機(jī)

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1、第 五 章 步 進(jìn) 電 機(jī) 本 章 學(xué) 習(xí) 內(nèi) 容l 概 述l 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理l 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 基 本 特 點l 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 運 行 特 性l 電 源 及 分 配 方 式 對 電 機(jī) 性 能 的 影 響 1 概 述 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 又 稱 為 脈 沖 電 動 機(jī) ， 在 數(shù) 字 控 制 系統(tǒng) 中 作 為 執(zhí) 行 元 件 。 其 功 能 是 將 脈 沖 的 電 信 號 變 換為 相 應(yīng) 的 角 位 移 或 直 線 位 移 。 運 行 特 點 : 角 位 移 量 與 脈 沖 數(shù) 成 正 比 。 脈 沖 頻 率 與 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 成 正 比 。 改

2、 變 脈 沖 順 序 ， 可 改 變 轉(zhuǎn) 動 方 向 。脈 沖 分 配 和 功 放脈 沖 信 號1脈 沖 對 應(yīng) 1步脈 沖 數(shù)等 于 步 數(shù) s0 kv0 f 應(yīng) 用 ： 由 于 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 工 作 特 點 符 合 數(shù) 字控 制 系 統(tǒng) 要 求 ， 因 此 它 在 數(shù) 控 機(jī) 床 、 鐘 表 工 業(yè) 及自 動 記 錄 儀 、 打 印 機(jī) 等 方 面 都 有 很 廣 泛 的 應(yīng) 用 。對 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 基 本 要 求 : 調(diào) 速 范 圍 寬 ；能 快 速 的 啟 動 ， 快 速 的 正 反 轉(zhuǎn) ；開 環(huán) 精 度 高 ， 不 丟 步 或 越 步 ；輸 出 轉(zhuǎn) 矩 大 ， 可 直

3、 接 帶 負(fù) 載 。 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 分 類 :反 應(yīng) 式 (磁 阻 式 )永 磁 式感 應(yīng) 式勵磁方式 應(yīng) 用 最 為 廣 泛 A BC IA IBIC 左 圖 為 三 相 反 應(yīng) 式異 步 電 動 機(jī) ： 定 子內(nèi) 圓 周 均 勻 分 布 著六 個 磁 極 ， 磁 極 上有 勵 磁 繞 組 ， 每 兩個 相 對 的 繞 組 組 成一 相 ， 采 用 Y連 接 。轉(zhuǎn) 子 有 四 個 齒 ， 齒寬 等 于 定 子 的 極 靴寬 。定 子轉(zhuǎn) 子2 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 結(jié) 構(gòu) 及 工 作 原 理 定 子 材 料 ： 硅 鋼 片 疊 成 ； 轉(zhuǎn) 子 材 料 ： 疊 片 鐵 心 由 于

4、 磁 力 線 總 是 要 通 過 磁 阻 最 小 的 路 徑 閉合 ， 因 此 會 在 磁 力 線 扭 曲 時 產(chǎn) 生 切 向 力 ， 而 形成 磁 阻 轉(zhuǎn) 矩 ， 使 轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 動 。 現(xiàn) 以 A B C A的 通 電 順 序 ， 使 三 相 繞 組 輪 流 通 入 直 流 電 流 ， 觀 察 轉(zhuǎn) 子 的 運 動 情 況 。BC IA I BIC C A BB CA34 1 2 A相 繞 組 通 電 ， B、 C相不 通 電 。 氣 隙 產(chǎn) 生 以 A-A為 軸 線的 磁 場 ， 而 磁 力 線 總 是 力 圖 從磁 阻 最 小 的 路 徑 通 過 ， 故 電 動機(jī) 轉(zhuǎn) 子 受 到 一 個

5、 反 應(yīng) 轉(zhuǎn) 矩 ， 在此 轉(zhuǎn) 矩 的 作 用 下 ， 轉(zhuǎn) 子 必 然 轉(zhuǎn)到 左 圖 所 示 位 置 ： 1、 3齒 與 A、A極 對 齊 。 C A BB CA34 12同 理 ， B相 通 電 時 ， 轉(zhuǎn) 子 會 轉(zhuǎn) 過 30角 ， 2、 4齒 和 B、 B 磁 極 軸 線 對 齊 ； 當(dāng) C相 通 電 時 ， 轉(zhuǎn) 子再 轉(zhuǎn) 過 30角 ， 1、 3齒 和 C、 C磁 極 軸 線 對 齊 。1 C34 2C A BB A 這 種 工 作 方 式 下 ， 三 個 繞 組 依 次 通 電 一次 為 一 個 循 環(huán) 周 期 ， 一 個 循 環(huán) 周 期 包 括 三 個工 作 脈 沖 ， 所 以 稱

6、 為 三 相 單 三 拍 工 作 方 式 。 按 AB C A 的 順 序 給 三 相 繞 組輪 流 通 電 ， 轉(zhuǎn) 子 便 一 步 一 步 轉(zhuǎn) 動 起 來 。 每 一 拍 轉(zhuǎn)過 30 (步 距 角 )， 每 個 通 電 循 環(huán) 周 期 (3拍 )磁 場 在空 間 旋 轉(zhuǎn) 了 360 而 轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 過 90 (一 個 齒 距 角 )。 按 AAB B BC C CA的 順 序 給 三 相繞 組 輪 流 通 電 。 這 種 方 式 可 以 獲 得 更 精 確 的 控 制特 性 。 C A BB CA34 1 2C A BB CA34 12 A相 通 電 ， 轉(zhuǎn) 子 1、3齒 與 A、 A 對

7、齊 。 A、 B相 同 時 通 電 ，A、 A 磁 極 拉 住 1、 3齒 ，B、 B 磁 極 拉 住 2、 4齒 ，轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 過 15， 到 達(dá) 左 圖所 示 位 置 。 C A BB CA34 12 B 相 通 電 ， 轉(zhuǎn) 子 2、4齒 與 B、 B 對 齊 ,又 轉(zhuǎn)過 15。34 12C A BB CA B、 C相 同 時 通 電 ，C 、 C 磁 極 拉 住 1、 3齒 ， B、 B 磁 極 拉 住2、 4齒 ， 轉(zhuǎn) 子 再 轉(zhuǎn) 過15。 三 相 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 一 個 通 電 循 環(huán) 周期 如 下 ： AAB B BC C CA， 每 個 循環(huán) 周 期 分 為

8、六 拍 。 每 拍 轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 過 15（ 步 距 角 ） ，一 個 通 電 循 環(huán) 周 期 (6拍 )轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 過 90 (齒 距 角 )。 與 單 三 拍 相 比 ， 六 拍 驅(qū) 動 方 式 的 步 進(jìn) 角 更小 ， 更 適 用 于 需 要 精 確 定 位 的 控 制 系 統(tǒng) 中 。 按 AB BC CA的 順 序 給 三 相 繞 組 輪 流 通電 。 每 拍 有 兩 相 繞 組 同 時 通 電 。 AB通 電C A BB CA34 12 BC通 電34 12C A BB CA CA通 電C A BB CA3 4 12 與 單 三 拍 方 式 相 似 ， 雙 三 拍 驅(qū) 動 時 每 個

9、通 電 循環(huán) 周 期 也 分 為 三 拍 。 每 拍 轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 過 30 (步 距 角 )，一 個 通 電 循 環(huán) 周 期 (3拍 )轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 過 90(齒 距 角 )。 可見：轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速取決于控制繞組通電和斷電的頻率。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向取決于控制繞組輪流通電的順序。幾個基本概念分配方式拍數(shù)（狀態(tài)數(shù)）單 拍 制 分 配 方 式 ： 狀 態(tài) 數(shù) 相 數(shù)雙 拍 制 分 配 方 式 ： 狀 態(tài) 數(shù) 2相 數(shù) 齒 距 角 ： 轉(zhuǎn) 子 相 鄰 兩 個 齒 之 間 的 夾 角 。t Rt Z 0360 為 轉(zhuǎn) 子 齒 數(shù)RZ步距角的表示方法 NZN Rtb 0360 );2,1( 為 相 數(shù)為 運 行 拍

10、 數(shù) ， mkkmNN 步 距 角 ： 每 輸 入 一 個 脈 沖 電 信 號 轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 過 的 空 間 角 度（ 機(jī) 械 角 度 ） 。b同一臺電機(jī)采用不同的供電方式，步距角可有兩種不同的數(shù)值。t21 結(jié) 構(gòu) ： 定 子 上 八 個 磁極 ， 定 子 、 轉(zhuǎn) 子 由 硅鋼 片 疊 成 ， 都 帶 有 小齒 。為 了 提 高 控 制 精 度 ， 縮 小 步 距 角 ， 可 以 增 加 相 數(shù) ，且 電 機(jī) 的 定 子 、 轉(zhuǎn) 子 都 做 成 多 齒 的 。 四 相 單 四 拍p轉(zhuǎn) 子 有 50個 齒 ， 齒 距 角 7.2度 。p定 子 一 個 極 距 所 占 的 齒 數(shù) 不 為 整 數(shù)pA

11、相 通 電 ， 反 應(yīng) 轉(zhuǎn) 矩 使 轉(zhuǎn) 子 齒 軸 線 和定 子 磁 極 AA齒 軸 線 對 齊 ， 相 鄰 磁 極 定子 齒 和 轉(zhuǎn) 子 齒 相 對 位 置 如 右 圖 。pB相 通 電 ， 轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 過 1.8o。p順 序 通 電 ， 轉(zhuǎn) 子 旋 轉(zhuǎn) 。四 相 八 拍 四 相 雙 四 拍 3 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 工 作 基 本 特 點（ 1） 步 進(jìn) 電 機(jī) 工 作 時 ， 每 相 繞 組 由 專 門 驅(qū) 動 電 源 通過 “ 環(huán) 形 分 配 器 ” 按 一 定 規(guī) 律 輪 流 通 電 。 幾 個 概 念 分 配 方 式狀 態(tài) 數(shù) 、 拍 數(shù) 單 拍 制 分 配 方 式 ： 狀 態(tài) 數(shù)

12、相 數(shù)雙 拍 制 分 配 方 式 ： 狀 態(tài) 數(shù) 2相 數(shù)Nff 相f相 ： 每 相 脈 沖 電 壓 的 頻 率f： 控 制 電 脈 沖 的 頻 率N： 拍 數(shù) （ 2） 步 距 角 的 表 示 方 法步 距 角 ： 每 輸 入 一 個 脈 沖 電 信 號 轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 過 的 角 度 。齒 距 角 ：b Rtb ZN 0360t Rt Z 0360 為 轉(zhuǎn) 子 齒 數(shù)RZ );2,1( 為 相 數(shù)為 運 行 拍 數(shù) ， mkkmNN 提 高 精 度 減 小 步 距 角 增 加 拍 數(shù)RbRRbe ZZZN 0360用 電 角 度 表 示 步 距 角 ：電 角 度 等 于 機(jī) 械 角 度 乘 上

13、 極 對 數(shù) （ 3） 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 可 以 按 特 定 指 令進(jìn) 行 角 度 控 制 或 速 度 控 制NZ fn R60反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 取 決 于 脈 沖 頻 率 、 轉(zhuǎn) 子 齒數(shù) 和 拍 數(shù) ， 而 與 電 壓 、 負(fù) 載 、 溫 度 等 因 素 無 關(guān) 。 可實 現(xiàn) 無 級 調(diào) 速 ， 調(diào) 速 范 圍 很 寬 。 為 控 制 脈 沖 的 頻 率 為 轉(zhuǎn) 子 齒 數(shù)為 運 行 拍 數(shù) ，fN RZ 角 度 控 制 ： 輸 出 軸 轉(zhuǎn) 動 的 角 位 移 量 與 輸 入 脈 沖 數(shù)成 正 比 。速 度 控 制 ： kk1 改 變 通 電 順 序

14、 ， 相 當(dāng) 于 改 變 定 子 磁 場 的 旋 轉(zhuǎn) 方 向， 從 而 控 制 電 機(jī) 正 反 轉(zhuǎn) 。 改 變 脈 沖 輸 入 的 情 況 可以 控 制 電 機(jī) 的 啟 動 ， 反 轉(zhuǎn) ， 制 動 或 改 變 轉(zhuǎn) 速 。bRR fNZfNZ fn 6360 3606060 0 0 一 定 時 ， 步 距 角 小 ， 轉(zhuǎn) 速 低 ， 輸 出 功 率 小 ， 但 加工 精 度 要 求 高 ， 故 應(yīng) 二 者 兼 顧 考 慮 。f（ 4） 步 進(jìn) 電 機(jī) 具 有 自 鎖 功 能當(dāng) 控 制 脈 沖 停 止 ， 最 后 一 個 脈 沖 控 制 繞 組 繼 續(xù) 通直 流 電 ， 電 機(jī) 停 留 在 最 后

15、 一 個 脈 沖 控 制 的 角 位 移終 點 實 現(xiàn) 停 車 時 轉(zhuǎn) 子 定 位 。 4 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 運 行 特 性靜態(tài)特性 5 電 源 及 分 配 方 式 對 電 機(jī) 性能 的 影 響1. 驅(qū) 動 電 源 的 基 本 要 求 2. 驅(qū) 動 電 源 的 組 成（ 1） 變 頻 信 號 源 ： 脈 沖 信 號 發(fā) 生 器 ， 可 產(chǎn) 生 數(shù) 十 赫 茲 到 幾萬 赫 茲 連 續(xù) 可 變 的 脈 沖 。（ 2） 脈 沖 分 配 器 ： 一 種 邏 輯 電 路 ， 由 雙 穩(wěn) 態(tài) 觸 發(fā) 器 和 門 電路 組 成 ， 能 將 輸 入 的 電 脈 沖 信 號 根 據(jù) 需 要 循

16、環(huán) 輸 出 。（ 3） 功 率 放 大 器 ： 將 輸 入 的 循 環(huán) 信 號 進(jìn) 行 功 率 放 大 ， 使 步進(jìn) 電 機(jī) 按 選 定 的 運 行 方 式 工 作 。 3. 驅(qū) 動 電 源 的 分 類按 功 率放 大 器型 式 進(jìn)行 分 類 單 一 電 壓 型 電 源高 低 壓 切 換 型 電 源其 他 型 式 的 驅(qū) 動 電 源 p單 一 電 壓 型 電 源優(yōu) 點 ： 線 路 簡 單 ， 功 放 元件 少 ， 成 本 低缺 點 ： Rf1上 要 消 耗 能 量 ，工 作 效 率 低 。只 適 用 于 小 功 率 步 進(jìn) 電 機(jī) ，性 能 指 標(biāo) 要 求 不 高 的 場 合 。當(dāng) 信 號 脈

17、 沖 輸 入 時 ， 晶 體 管 導(dǎo) 通 ， 電 容 C在 起 始 瞬 間 相當(dāng) 于 將 電 阻 短 接 ， 而 加 大 控 制 繞 組 的 電 流 ， 穩(wěn) 定 時 R起限 流 作 用 。 p高 、 低 壓 切 換 型 電 源步 進(jìn) 電 機(jī) 的 每 一 相 控 制 繞 組 要 有 兩 只 功 率 元 件 串 聯(lián) 。由 高 、 低 壓 兩 種 不 同 的 電 源 供 電 。 這 種 電 源 效 率 好 ，起 動 和 運 行 效 率 比 單 一 電 源 高 。 高 壓 供 電 用 來 加 速 電 流 的 增長 速 度 ； 低 壓 供 電 為 了 維 持穩(wěn) 定 的 電 流 值 。常 用 于 大 功

18、率 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 驅(qū) 動優(yōu) 點 ：電 源 功 耗 小 ， 效 率 高 。矩 頻 特 性 好 ， 啟 動 和 運 行 頻率 有 很 大 提 高 。 圖 11 - 40 高 低 壓 電 源 的 電 壓 和 電 流 波 形 圖 (a) 信 號 電 壓 ； (b) 繞 組 端 壓 ； (c) 繞 組 電 流 圖 11 - 40 高 低 壓 電 源 的 電 壓 和 電 流 波 形 圖 (a) 信 號 電 壓 ； (b) 繞 組 端 壓 ； (c) 繞 組 電 流 p其 他 型 式 的 驅(qū) 動 電 源帶 有 多 次 電 流 檢 測 的 高 低 壓 驅(qū) 動 電 源在 高 、 低 壓 切 換 型 電 源

19、 的 基 礎(chǔ) 上 ， 使 高 壓 部 分 的 電 流 斷 續(xù)加 入 ， 以 補(bǔ) 償 步 進(jìn) 電 機(jī) 控 制 繞 組 中 旋 轉(zhuǎn) 電 勢 而 引 起 的 電 流波 頂 下 凹 所 造 成 的 轉(zhuǎn) 矩 下 降 ， 使 電 流 波 頂 維 持 在 預(yù) 定 范 圍內(nèi) ， 而 使 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 機(jī) 械 特 性 得 到 顯 著 提 高 。 圖 11 - 42 多 次 電 流 檢 測 后 的 電 流 波 形 圖 11 - 41 電 流 波 形 下 凹 現(xiàn) 象 單 電 壓 斬 波 恒 流 型 電 源這 種 電 源 可 以 消 除 電 流 波 形 下 凹 現(xiàn) 象 ，使 繞 組 中 電 流 維 持 在 額

20、定 值 附 近 。 單 一電 壓 線 路 簡 單 。 細(xì) 分 電 路對 一 個 有 步 距 角 的 步 進(jìn) 電 機(jī) 繞 組 用 階 梯 波 形 的 電 流 供 電 ，使 步 距 角 減 少 ， 提 高 運 行 平 滑 性 。 細(xì) 分 電 流 波 形 電 流 的 每 個 階 梯 ， 電機(jī) 轉(zhuǎn) 動 一 步 ， 步 距 角減 小 了 很 多 。 它 與 一般 的 由 0 值 突 跳 至 額定 值 ， 從 額 定 值 跳 至 0的 通 電 方 式 相 比 ， 步距 角 縮 小 了 1/10， 因而 使 電 機(jī) 運 轉(zhuǎn) 非 常 平滑 ， 可 以 消 除 電 機(jī) 在低 頻 段 運 轉(zhuǎn) 時 產(chǎn) 生 的振 動

21、 、 噪 音 等 現(xiàn) 象 。 4. 分 配 方 式 對 性 能 的 影 響分 配 方 式 對 輸 出 轉(zhuǎn) 矩 也 有 很 大 影 響 。 一 般 來 說 ， 同 時通 電 的 相 數(shù) 越 多 ， 轉(zhuǎn) 矩 下 降 較 少 。 例 如 ， 三 相 電 機(jī) 中 三 相 雙 三 拍 及 三 相 六 拍 分 配 方 式 的轉(zhuǎn) 矩 都 比 三 相 單 三 拍 的 高 。 這 是 因 為 在 繞 組 換 接 過 程 中 ， 如 ABBC時 ， 只 是 A相 電 流 切 斷 ， C相 電 流 導(dǎo) 通 ； 它 們都 是 按 指 數(shù) 曲 線 規(guī) 律 變 化 的 ， 但 B相 電 流 在 換 接 過 程 中 仍保

22、持 穩(wěn) 態(tài) 電 流 值 不 變 ， 它 對 維 持 轉(zhuǎn) 矩 不 變 起 了 較 大 作 用 。 顯 然 ， 同 時 通 電 的 相 數(shù) 越 多 ， 維 持 電 流 不 變 的 相 數(shù) 也 越 多 ， 轉(zhuǎn) 矩 就 越 高 。 另 外 ， 由 于 雙 拍 制 分 配 方 式 的 步 距 角 比 單 拍 制 減 少 一半 ， 所 以 當(dāng) 電 機(jī) 產(chǎn) 生 的 角 加 速 度 d/dt及 要 克 服 的 慣 性矩 Jd/dt相 同 時 ， 雙 拍 制 的 控 制 頻 率 比 單 拍 制 的 可 增加 一 倍 。 可 見 ， 采 用 雙 拍 制 分 配 方 式 對 提 高 啟 動 和 連續(xù) 運 行 頻 率 是 明 顯 有 利 的 。 6 其 他 類 型 步 進(jìn) 電 機(jī)