微特电机作业

微特电机论文

题目：步进电机

课程：微特电机

专业：电气工程及其自动化

班级：电气

学号：

姓名：

指导教师：

完成日期： 2013/4/21

步进电机

杜中华

摘要步进电机是一种纯粹的数字控制电动机，又称为阶跃电机或脉冲电机。是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可以看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电动机。它能将输入电脉冲信号转换成机械的运动量加以输出。每一个主令脉冲都可以使步进电机的转轴前进一个步距角，并依靠它特有的定位转矩将转轴准确地锁定在空间位置上，在实际工程中有着广泛的应用，文章主要探讨了步进电动机原理、驱动电路的特点及其在各个领域的应用。

1.步进电动机的种类

目前常用的有三种步进电动机：

(1)反应式步进电动机(VR)。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步

距角小；但动态性能差。

(2)永磁式步进电动机(PM)。永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步

距角大。

(3)混合式步进电动机(HB)。混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进

电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。

2.步进电机的系统结构

3.步进电动机的工作原理

图1 三相反应式步进电动机的结构示意图

1——定子2——转子3——定子绕组{{分页}}

图1是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60º。各磁极上套有线圈，按图1连成A、B、C三相绕组。转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距为θE=360º/40=9º，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，如图1，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3º。因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3º；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过3º。依次类推，当三相绕组按A→B→C→A顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3º的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按A →C→B→A顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3º的规

律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步矩角θb为30º。三相步进电动机还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按AB→BC→CA→AB顺序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。反应式步进电动机的步距角可按下式计算：

θb=360º/NE r(1)

式中E r——转子齿数；

N——运行拍数，N=km，m为步进电动机的绕组相数，k=1或2。

4.步进电机的控制

一、步进电机闭环控制系统

开环控制步进电机驱动系统的输入脉冲不依赖于转子的位置，而事先按照一定规律给定。缺点是电机输出转矩加速度在很大程度上取决于驱动源和控制方式。对不同电机或同种电机而不同的负载，很难找到通用的加减速规律，因此，提高步进电机的性能指标受到限制。

闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度，并通过反馈和适当的处理，自动给出驱动的脉冲串。用闭环控制可获得更加精确的位置控制和较高、较平稳的转速，且可在步进电机的其它领域内获得更大的通用性。

步进电机的输出转矩是励磁电流和失调角的函数。为获得高输出转矩，必考虑电流的变大和失调角的大小，这对开环控制很难实现。

步进电机闭环控制方案主要有核步法、时间延迟法、无位置传感器的闭环控制系统等。

二、步进电机的PLC控制

PLC作为控制器对机床电气控制系统的改造越来越突出，其主要部分是对数控机床的典型执行元件步进电机的控制。利用PLC控制步进电动机，其脉冲分配可以由软件进行设计，还可以由硬件来组成。

三、步进电机的控制要点

1、控制步进电机，就是要按一定的工作方式按一定的顺序改变通电状态（步距角，方向，转子轴上的输出转矩）。

2、控制步进电机的转速，就是控制两个相邻通电状态之间的时间间隔。

3、要步进电机走多少步，就是要改变多少次通电状态。

4、不改变通电状态，步进电机就处于静止状态，此时功耗也最大，输出转矩也最大。

5.步进电机的应用

1、工业生产过程控制:执行元件(增量PID)。

2、数字程序控制:各座标方向的驱动电机(数控车床、数控铣床、数控加工中心、数字绘图仪等)。

3、计算机外部设备:磁盘驱动器寻道电机，打印机打印头驱动电机。

随着新材料、新技术的发展及电子技术和计算机的应用, 步进电动机及驱动器的研制和发展进入了新阶段。过去, 人们认为伺服系统一定优于步进系统的观念也发生着很大的变化, 现代的步进系统已完全不是过去的步进系统。定位驱动装置已经过“步进—直流伺服—交流伺服”, 再度回到步进系统。步进系统的回归源自于其无需反馈就形成了开环控制系统, 使系统结构大大简化、使用维护更加方便、工作可靠, 在一般使用场合具有足够高的精度等特点。由于步进电动机有上述特点和优点而广泛应用在机械、治金、电力、纺织、电信、电子、仪表、化工、轻工、办公自动化设备、医疗、印刷以及航空航天、船舶、兵器、核工业等国防工业等领域。例如机械行业中, 在数控机床上的应用, 可以算是典型的例子。可以说步进电动机是经济型数控机床的核心。而由步进系统实现开环控制, 使得改变加工对象快捷、系统调试方便、工作可靠、成本较低的数控机床成为当前机床发展的主要方向之一。其它行业中应用实例有如: 印刷机械、包装机械、梭织机、电脑绣花机、钟表、户外自动广告牌、自动移靶机、计算机外设、自动绘图仪、吸脂机等。

6.产品

1.粉剂包装机

步进电机控制打料螺杆灌装精度准确，该机用于包装袋装的粉状类，计量系统为步进电机控制。如：农药、化肥、兽药、饲料、面膜粉、奶粉、调味品等。螺杆灌装适用于流动性不好的物料，具有快速、准确、经济、实用的优点。