电机及电力拖动 第16章-步进电动机

目录下页上页退出第十六章步进电动机•16.1工作原理•16.2运行特性•16.3驱动电源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，说得通俗一点，就是给一个脉冲信号，电动机就转动一个角度或前进一步。因此，这种电动机也称为脉冲电动机。目录下页上页退出16.1工作原理右图是一个三相反应式步进电动机，定、转子铁心由硅钢片叠成。定子有六个磁极，每两个相对的极绕有一相控制绕组，转子只有四个齿，齿宽等于定子极靴宽，上面没有绕组。如图a所示,当U相控制绕组通电，而V相、W相都不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，所以转子齿1和3的轴线与定子U极轴线对齐。如图b所示,U相断电、V相通电时，转子便逆时针方向转过30°，使转子齿2和4的轴线与定子V极轴线对齐。如图c所示,V相断电、接通W相，转子再过30°，转子齿1和3的轴线与W极轴线对齐。三相单三拍运行时反应式步进电动机工作原理图目录下页上页退出如此按U-V-W-U……顺序不断接通和断开控制绕组，转子就会一步一步地按逆时针方向转动。步进电动机转速取决于控制绕组通电和断电的频率（即输入的脉冲频率），旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序，若步进电动机通电次序改为U-W-V-U……则步进电动机反向转动。上述通电方式，称为三相单三拍。“单”是指每次只有一相控制绕组通电，“三拍”是指三次切换通电状况为一个循环，第四拍就反复第一拍通电的情况。步进电动机每拍转子所转过的角位移称为步距角。三相单三拍通电方式时，步距角为30°。目录下页上页退出如图a所示,当U相控制绕组通电时，和单三拍运行的情况相同，转子齿1和3的轴线与定子U极轴线对齐。如图c所示，当断开U相使V相单独接通时，在磁拉力作用下，转子继续逆时针方向转动，直到转子齿2和4的轴线与定子V极轴线对齐为止，这时转子又转过15°角度。如图b所示,当U、V相控制绕组同时接通时，转子的位置，应兼顾到使U、V两对极所形成的两路磁通，在气隙中所遇到的磁阻同样程度地达到最小。这时相邻两个U、V磁极与转子齿相作用的磁拉力大小相等且方向相反，使转子处于平衡。这样，当U相通电转到U、V两相通电时，转子只能逆时针方向转过15°。单、双六拍运行时三相反应式步进电动机目录下页上页退出如通电顺序改为U-UW-W-WV-V-VU-U时，电动机将按顺时针方向转动。对这种通电方式，定子三相控制绕组需经过六次换接才能完成一个循环，故称为“六拍”。同时这种通电，有时是单个控制绕组接通，有时又是两个控制绕组同时接通，因此称为单、双六拍。采用单、双拍通电方式时，步距角要比单拍通电方式减小一半（即=15°）。上述简单的三相反应式步进电动机的步距角太大，即每一步转过的角度太大，很难满足生产中所提出位移量要小的要求。下面介绍三相反应式步进电动机的一种典型结构。目录下页上页退出在右图中，三相反应式步进电动机定子上有六个极，上面装有控制绕组联成U、V、W三相。转子圆周上均匀分布若干个小齿，定子每个磁极靴上也有若干个小齿。以转子齿数zr=40，相数m=3，一相绕组通电时，在气隙圆周上形成的磁极数2p=2，三相单三拍运行为例：3609zrz360602pm2623rzpm每一齿距的空间角每一极距的空间角每一极距所占的齿数小步距角的三相反应式步进电动机目录下页上页退出当U-U′极下的定、转子齿对齐时，V-V′极的定子齿和转子齿必然错开1/3齿距，即为3°，如图所示的展开图。由于每一极距所占的齿数不是整数，由上图可以看出，若断开U相控制绕组而接通V相控制绕组，这时步进电动机中产生沿V-V′极轴线方向的磁场，因磁通力图走磁阻最小路径闭合，就使转子受到同步转矩的作用而转动，转子按逆时针方向转动1/3齿距（3°），直到使V-V′极下的定子齿和转子齿对齐。相应地U-U′极和W-W′极下的定子齿又分别和转子齿相错1/3齿距。按此顺序连续不断地通电，转子便连续不断地一步一步转动。目录下页上页退出若采用三相单、双六拍通电方式运行，即按U-UV-V-VW-W-WU-U顺序循环通电，同样步距角也要减少一半，即每一脉冲时转子仅转动1.5°。如果脉冲频率很高，步进电动机控制绕组中送入的是连续脉冲，各相绕组不断地轮流通电，步进电动机不是一步一步地转动，而是连续不断地转动，它的转速与脉冲频率成正比。每分钟转子所转过的圆周数即转速为60rfnzN目录下页上页退出16.2运行特性16.2.1静态运行状态步进电动机不改变通电的状态称为静态运行状态。静态运行状态下步进电动机的转矩与转角特性，简称矩角特性T=f(θ)，是步进电动机的基本特性。步进电动机的转矩就是同步转矩（即电磁转矩），转角就是通电相的定、转子齿中心线间用电角度表示的夹角θ，如图所示。可见转矩T随转角θ作周期变化，变化周期是一个齿距，即2π电弧度。定转子间作用力目录下页上页退出实践经验证明:反应式步进电动机的转角特性接近正弦曲线，如图反应步进电动机的矩角特性。在θ=0处，转子处于稳定平衡位置,即通电相定、转子齿对齐位置。因为当转子处于这个位置时，如有外力使转子齿偏离这个位置，只要偏离角θ在0°＜θ＜180°的范围内，除去外力，转子能自动地重新回到原来位置。θ=±π这个位置是不稳定的，两个不稳定点之间的区域构成静态稳定区。电磁转矩的最大值称为最大静态转矩Tmax，它表示了步进电动机承受负载的能力，是步进电动机最主要的性能指标之一。目录下页上页退出16.2.2步进运行状态步进电动机的步进运行状态与控制脉冲的频率有关。当步进电动机在极低的频率下运行时，后一个脉冲到来之前，转子已完成一步，并且运动已基本停止，这时电动机的运行状态由一个个单步运行状态所组成。步进电动机的单步运行状态为一振荡过程。如图步进电动机在连续运行状态时产生的转矩称为动态转矩。步进电动机的最大动态转矩将小于最大静态转矩，并随着脉冲频率的升高而降低。频率很高，周期很短，电流来不及增长，显然，动态转矩也减小了。步进电动机的动态转矩与频率的关系，即所谓矩频特性，是一条下降的曲线，如图所示，这也是步进电动机重要特性之一。步进电动机转子振动过程步进电动机的矩频特性目录下页上页退出16.3驱动电源步进电动机是由专用的驱动电源来供电的，驱动电源和步进电动机是一个有机的整体。步进电动机的驱动电源，基本上包括变频信号源，脉冲分配器和脉冲放大器三个部分，如图所示。步进电动机的驱动电源