电机学——步进电机

6.步进电动机
2、多段式步进电动机
前述步进电动机与一般电机相同，定、转子均 为一段铁心（不计通风槽的影响），各相绕组沿圆 周均匀排列，所以也叫做径向分相的结构。与它相 对的是所谓轴向分相，它的定转子铁心分成m段， 所以也称为多段式结构。
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三段式三相反应式步进电动机 a) 结构示意图1—控制绕组 2—定子铁心3—轴承4—转轴5—转子铁心 b) 三段定转子齿相对位置图
3
1
A'
C相导通
A相导通
2
B
3
C
B
2
C
A'
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按A-B-C-A的顺序通电，电机转子在磁阻转矩作用下沿 ABC方向转动，电机的转速直接取决于控制绕组的换接频率。 定子控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍，此时电 机转子所转过的空间角度称为步距角。
齿距角：
360 t 90 Zr
A
B'
4 339;
1
B'
4
B
C
B
2 3
C
A'
A'
A相导通
AB相导通
B相导通
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6.3 基本构造
1. 小步距角反应式步进电机
上述步进电动机 s 为15°、 30°。在实际应用中常嫌太大， 为提高精度和扩大其功能，制成 小步距角电动机。
360 t 9 40
360 360 s 3 Z r N 40 3 1
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a) 矩角特性曲线 b) 转矩和失调角正方向的设定
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对矩角特性我们主要关心的是它的波形和最大值 Tmax 。 从希望来说，矩角特性以接近矩形为好，微小的失调角便 有最大的转矩。但实际的矩角特性接近正弦波，曲线的最 大转矩正比于控制绕组的电流平方及同时通电的相数。 在分析步进电动机的工作特性时，不仅要知道某一条 矩角特性，而且要知道各个通电状态下的矩角特性，即所 谓矩角特性曲线族。 曲线族中每一相邻曲线错开一个以电角度表示的步距角
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图示转子为两极，步进机中称转子极为齿极，转子齿极数 以 Qr 表示。下面通过几种基本控制方式来说明其工作原理。
三相反应式步进电动机 a) A相通电时 b) B相通电时
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三相反应式步进电动机有三种运行方式： (1) 三相单三拍运行； (2) 三相双三拍运行； (3) 三相单、双六拍运行
连续脉冲运行 t p ts
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•连续脉冲的频率是下列两个指标的制约：
①连续运行频率：为使电动机不失步（每拍走一步为正常运 行，每拍不走或多走均为失步）地运行的极限频率。它的数 值随轴上负载的增加而下降。小步距角步进电动机的连续运 行频率可达每秒一万步以上；
②极限起动频率：当电动机的负载一定时，如果外加控制 脉冲频率超过某一临界值，电机便会起动不起来，这一临 界值称为极限起动频率。
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5、单相步进电动机
广泛应用于钟、手表中的步进电动机常常是单相式，亦 即是只有一个接受信号的绕组，其转子为圆片状永久磁铁， 径向充磁为两极型。
a)
单相步进电动机原理图 b)
c) 秒脉冲信号
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6.4 步进电动机基本特性 1、矩角特性
当电动机为理想空载（指负载转矩包括摩擦转矩在内 等于零），且电动机在某一种通电状态下，其转子所处的 位置称为零位或稳定平衡位置。 电动机带上负载，则转子位置便将偏离零位，称与零 位间的角度为失调角 。此时，电机能产生的转矩T和失 调角的关系称为矩角特 性 T f ( x) 。
“三相” —指步进电机的相数； “单” —指每次只给一相绕组通电；“双”则是每次 同时给二相绕组通电； “三拍”—指通电三次完成一个循环
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1. 三相单三拍运行方式
A
C'
2 1 4 3
A
B' C'
1
B'
4
B
C
B
2 3
C
A'
A'
A相导通
B相导通
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A
C' B'
A
4
C'
1 4
B'
②延迟断开法，使原通电相在新通电相通电一段时间 再断开，其作用与前一方法相似，如三相单三拍运行时采用 延迟断开法，效果同前一方法，但可节省电源消耗功率。
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3. 连续脉冲运行
当 t p ts 时，转子的响应是很复杂的。 但如果 t p ts ，转子振荡已衰减完毕，已 处于新的平衡位置，转子角速度已为零。 所以这种频率的连续脉冲运行犹 如连续的单脉冲运行。
m
取决于励磁电流i及气隙磁阻，同样电流i，但磁阻不同，将激励不同的磁链
可写出电磁转矩的表示式
L Tem ki
2
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开关磁阻电动机可控的参数较多：控制电流i的幅值； 直流电源的电压；控制电流的持续时间等。所以图中设有 电流检测装置。位置检测装置视传感器的不同而不同，应 用较多的是光电式和电磁式传感器。
Tst Tmax sin 2 Tmax cos 2 Tmax cos Nb
由式可见，如果 Tmax 相同，增加拍数，减小步距角可以增 大起动转矩。
转子振荡过程：
以上分析时认为，切换控制绕组时，转子单调地趋向新的平 衡位置，但实际上要经过一个衰减的振荡过程。
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转子运动衰减振荡过程及停止时间的定义
• 只要负载阻力转矩小于相邻矩角特性的 交点处的电磁转矩，电机就可正常实现步进 运动。称该交点处的转矩为起动转矩 Tst
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T
o"0
Tst TL1
- o'0 o0 o'1 o1
-
T o"1 TL2 Tst

o0
o1

TL1<Tst
TL2>Tst
因新的矩角特性曲线上对应点的电磁 转矩大于负载转矩，使转子加速并向 增大的方向运动，最终到达新的稳 定平衡点o’1.
它每接收一个电脉冲，转子就转过一角度 s ，称为步 距角。由于这种电机的转动是断续地一步步进行的，所以 被称为步进电动机。 步机电动机的脉冲信号，一般由脉冲分配器和功率 放大器两部分组成的驱动器提供，并由它确定输入脉冲 的个数、频率、分配到各控制绕组的次序以及同时输入 控制绕组的数目。
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三相6/4极反应式步进电动机截面图 按三相单三拍运行，〖HJ〗通电方式为A-B-C-A，转子逆时针旋转。
。
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SRD基本组成 SRD—开关磁阻电动机 L—机械负载 θ—位置传感器 i—电流检测器 C—控制器 P—功率变换器 磁阻电机的电磁转矩来自气隙磁场储能W 因转子位置θ角改变而发生的变化。
开关磁阻电机本体结构较简单，就相数分有单相、 两相、三相和四相等，就定转子齿极配合常用的有6/4、 8/6、12/8等。
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步进电动机的应用
用于数字程序控制系统
数控铣床工作原理示意图
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这种电动机步距角较大，控制电源需有正负脉冲，优 点是消耗的电功率比反应式步进电动机小。在断电没有信 号输入时，它有定位转矩，即表示它的转子只能锁定在某 几个位置，不像反应式电机，当无信号时，其转子位置可 以是任意的。
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4、永磁感应子式步进电动机(混合式步进电动机)
这种电机的原理结构图如所示，其定子结构与小步距角单段反应式 步进电动机相似，其相数，极数同。转子中段为轴向充磁的环形永久磁 铁，两端软铁制成圆周开了齿槽的转子铁心，沿轴向两端铁心上的子齿 错过1/2齿距，定转子齿槽的齿距是相同的。
步距角：
90 s 3 3
t
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2. 三相双三拍运行方式
按AB-BC-CA-AB或相反的顺序通电，每次同时给两 相绕组通电，且三次换接为一个循环。步距角与三相单三 拍运行方式的步距角相同。
AB相导通
BC相导通
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3. 三相单、双六拍运行方式
按A-AB-B-BC-C-CA或相反顺序通电，即需要六拍才完成一 个循环，因此步距角为： t 90 15 s 6 6
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极限起动频率总小于连续运行频率，一般空载起动频 率约为数千赫。
说明极限起动频率
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4、步进电动机的精度
由下列指标来表示：
零位误差和不灵敏区 步距误差 步距累积误差
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6.5开关磁阻调速电动机
配上一个可控的开关电路，根据转子位置来合理 地正确地导通和关断各相电路
C
- a o0 o1

b
se
r
静态稳定区

当加上一个控制脉冲信 号，矩角特性将转移到 矩角特性族中的下一条 矩角特性曲线，转子将 转到新的稳定平衡位置 o1。在改变通电状态时， 只有当转子起始位置位 于ab之间才能使它向o1 点运动。因此称区间ab 为电动机空载时的动态 稳定区。
动态稳定区
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3、永磁式步进电动机
定子为凸极，控制绕组为两相、相隔一极的绕组属同一 相。转子为两对永久磁铁磁极。A相加正脉冲时，第1、3、5、 7极激励磁场，极性为S、N、S、N，可见转子稳定位置恰如 图所示。然后，B相加正脉冲，第2、4、6、8极分别呈S、N、 S、N极性，于是转子转过45°。第三拍A相加负脉冲，奇数 极极性呈N、S、N、S。与第一拍相反，这时转子恰好被吸而 又转过45°。
s se
2 (机械弧度 ) N b Qr 2 ( 电弧度） Nb
se
Qr s
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三相单三拍运行时矩角特性曲线族，
Asn —第n拍静态稳定区 Asn 1 —第n+1拍静态稳定区
se
2 3
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2. 单脉冲运行
T
仅只对电动机加上一个控制脉冲的运行方式。
为减小振荡幅度和时间，可增加阻尼： •机械阻尼：增加电机转子的干摩擦阻力或增加粘性阻力。缺 点：增大了惯性，快速性能变坏，体积增大。 •电气阻尼：多相激磁阻尼、延迟断开阻尼。优点：方法简单， 效果好。
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• 机械阻尼方法是增加电机的摩擦阻力或增加粘性阻力。 此法虽然有效，但加大了转子的惯性，使电机的快速响应 性能变坏。 • 电气阻尼方法简便，效果好，因此应用广泛，常用的 有 ①多相励磁阻尼法，如改三相单三拍运行方式为三 相双三拍运行方式，有一相在两拍间均通电，该相的磁场 在转子运动过程中起着阻尼作用；
称该交点处的转矩为起动转矩stst因新的矩角特性曲线上对应点的电磁转矩大于负载转矩使转子加速并向增大的方向运动最终到达新的稳定平衡点ost新矩角特性上对应点的转矩小于负载转矩转子不能到达新的稳定平衡点o而是向减小的方向运动因此不能作步进运动
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6.1 简介
步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，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。
新矩角特性上对应点的转矩小于 负载转矩，转子不能到达新的稳 定平衡点o”1，而是向减小的方 向运动，因此不能作步进运动。
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由此可知，步进电动机能带的最大负载转矩要比最大静转矩 Tmax小。只有当负载转矩小于起动转矩(最大负载转矩)Tst，才 能保证电动机进行正常的步进运动。 若矩角特性为幅值相等的正弦波时，可得： se se
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电机齿的相对位置 a) A相通电 b) B相通电
电机齿的相对位置 a) A、B相通电 b) B、C相通电
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• 反应式步进电动机的相数等于定子极对数， 即m=p，转子齿数Qr 的数值要受下列两个条件的 限制：① 正对面的两个极属于同一相，某相通电 时，这两个极的齿都应与转子齿对齐，所以转子 齿数Qr 必须是偶数；② 某相磁极的齿与转子齿 对齐时，相邻磁极齿与转子齿应错开t/m。齿数 不能任意确定，则步距角亦将不是随意的，在选 用步进电机时要注意。
种类：
磁阻式(反应式)
励 磁 方 式 永磁式 混合式 运 行 方 式 平面型
直线型
系统构成：
脉冲信 号输入 脉冲分配器 脉冲放大器 步进 电机
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6.2工作原理
步进电动机的定子一般为凸极式，设置多相绕组用作 控制绕组来接收电脉冲。转子亦为凸极，可由软铁或永久 磁铁构成，也可以是带齿的圆柱形铁心。 • 三相反应式步进电动机定子为凸极式，共有三对磁极 磁极上设置控制绕组。相对的两个极的线圈串联联接，形 成一相控制绕组。转子用软磁材料制成，也是凸极，但转 子上没有绕组。