□步进电机详解

2020-03-23 20:04栏目:公司简介

  第四章 步进电动机 4-1 概 述 步进电动机 stepping motor 是将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的一种特地电机 每输入一个电脉冲信号 电机就转动一个角度 它的运动体式是步进式的 以是称为步进电动机 又因为它输入的是脉冲电流 以是也叫脉冲电动机 步进电动机正在不必要变换的境况下 能直接将数字脉冲信号转换成角位移或线位移 以是它很 适合行动数字把持体例的伺服元件 其余 它还具有一系列的甜头 一是输出角位移量或线位移量 与其输入的脉冲数成正比 而转速或线速率与脉冲的频率成正比 正在负载本事周围内 这些联系不 受电压的巨细 负载的巨细 境遇条目等外界百般要素的扰乱 二是它每转一周都有固定的步数 以是步进电动机正在不失步的境况下运转 其步距偏差不会长远积蓄 三是把持机能好 它可能正在开 环体例中正在很宽的周围内通过变动脉冲的频率来调治电机的转速 而且也许迅速启动 制动和反转 四是有些型式的步进电动机正在放手供电的形态下另有定位转矩 有些型式正在停机后某些相绕组仍保 持通电形态 具有自锁本事 不必要呆滞制动装备等 当采用速率和地点检测装备后 它可组成闭 环把持体例 筹算机本事 电力电子本事和微电子本事的繁荣 给步进电动机的利用诱导了空旷的前景 应 用极端广博 如数控机床 画图机 自愿记实仪外 遥控装备和航空体例等等 都多量利用步进电 动机 步进电动机的苛重错误是作用较低 而且必要专用电源供应电脉冲信号 带负载惯量的本事不 强 正在运转中会显露共振和振荡题目 步进电动机的品种许众 苛重有反映式 永磁式和搀杂式 近年来又繁荣有直线步进电动机和 平面步进电动机等 此中反映式步进电动机布局较单纯利用对比广泛 并且其他类型步进电动机的 根基道理与它根基近似 以是本章着重阐明反映式步进电动机 4-2 一 1 反映式步进电动机的布局及处事道理 反映式步进电动机的布局 按定转子铁芯的段数分为单段式和众段式两种 单段式 反映式步进电动机的布局体式许众 单段式是定转子为一段铁芯 因为各相绕组沿圆周倾向平均摆列 以是又称为径向分相式 它 是步进电动机中利用最众的一种布局体式 如图 4-1 为三相反映式步进电动机的径向截面图 定转 子铁芯由硅钢片叠压而成 叫一相 数 定子磁极为凸极式 磁极的极面上开有小齿 以是定子磁极数日常为相数的两倍 定子 p 为极对数 m 为相 并且 上有三套把持绕组 每一套有两个串联的蚁合把持绕组永诀绕正在径向相对的两个磁极上 每套绕组 三相绕组接成星形 即 2p=2m 转子上没有绕组 沿圆周也有平均的小齿 其齿距和定子磁极上小齿的齿距务必相当 转子的齿数有必然的局限 这种布局体式的甜头是创设轻易 精度易于保障 步距角可能做得较小 容易获得较高的启动和运转频率 其错误是正在电机的直径较小而相数又较众时 沿径向分相较为困 1 难 打发功率大 断电时无定位转矩 图 4-1 三相反映式步进电动机的布局 2 众段式 众段式是定转子铁芯沿电机轴向按相数分成 m 段 因为各相绕组沿着轴向分散 以是又称为轴 向分相式 按其磁途的布局特色有两种 一种是主磁途仍为径向 另一种是主磁途包蕴有轴向部门 众段式径向磁途步进电动机的布局如图 4-2 所示 每一段的布局和单段式径向分相布局近似 日常每一相绕组正在一段定子铁芯的各个磁极上 定子的磁极数从布局合理商量决断 最众可能和转 子齿数相当 定转子铁芯的圆周上都有齿形附近和齿距一致的平均小齿 转子齿数日常为定子极数 的倍数 定子铁芯 或转子铁芯 每相邻两段沿圆周错开 1/m 齿距 其余 也可能正在一段铁芯上放 置两相或三相绕组 定子铁芯 或转子铁芯 每相邻两段要错开相应的齿距 如此 可扩大电机制 制的圆活性 图 4-2 众段式径向磁途反映式步进电动机 1 线 转子 众段式轴向磁途步进电动机的布局如图 4-3 所示 每段定子铁芯为П字形 正在此中心就寝环形 把持绕组 定转子铁芯上均有齿形附近和齿数相当的小齿 定子铁芯 或转子铁芯 每相邻两段沿 圆周错开 1/m 齿距 众段式布局的联合特色是铁芯分段和错位安装工艺对比庞大 精度不易保障 希奇对步距角较 2 小的电机更是艰难 但步距角可能做的很小 启动和运转频率较高 对轴向磁途的布局 定子空间 操纵率高 环形把持绕组绕制便利 转子的惯量较低 图 4-3 众段式轴向磁途反映式步进电动机 1 线 引出线 二 反映式步进电动机的处事道理 反映式步进电动机是操纵凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所发作的反映转矩而转动的 以是 也称为磁阻式步进电动机 现以一个最单纯的三相反映式步进电动机为例 证实其处事道理 图 4-4 是一台三相反映式步进电动机的道理图 定子铁芯为凸极式 共有三对 六个 磁极 每两个相对的磁极上绕有一相把持绕组 转子用软磁性质料制成 也是凸极布局 惟有四个齿 齿 宽等于定子的极靴宽 下面通过几种根基的把持式样来证实其处事道理 图 4-4 三相反映式步进电动机的道理图 1 三相单三拍通电式样 其余两相均欠亨电 使转子齿 1 电机内作战以定子 A 相极为轴线 的轴线与定子 A 相极轴线 b 因为磁 a 如图 4-4 当 A 相把持绕组通电 通具有力求走磁阻最巷子径的特色 使转子齿 2 相 4-4 B c 所示 若 A 相把持绕组断电 B 相把持绕组通电时 转子正在反映转矩的用意下 逆时针倾向转过 30° 4 的轴线与定子 B 相极轴线° B C 如许按 A 即转子走了一步 使转子齿 1 所示 若再断开 B 如图 其 C 使 C 相把持绕组通电 所示 3 的轴线与定子 C 相极轴线对齐 A 的按序轮番通电 转子就会一步一步地按逆时针倾向转动 转速取决于各相把持绕组通电与断电的频率 转动倾向取决于把持绕组轮番通电的按序 若按 A A 的按序通电 则电机按顺时针反倾向转动 上述通电式样称为三相单三拍运转 制绕组通电 三相 是指三相步进电动机 三拍 单 是指每次惟有一相控 把持绕组每变动一次通电式样称为一拍 3 是指原委三次变动通电式样为一个 轮回 2 咱们称每一拍转子转过的角度为步距角 常用 θ s 来暗示 三相单三拍运转时 θ S = 30° 三相双三拍通电式样 BC CA AB 或 AB CA BC AB 每拍同时有两相绕组通电 如图 4-5 a 三拍 所示 b 所 例 当 A B 两相把持绕组同时通电时 转子齿的地点应同时商量到两对定子极的用意 才是转子的平均地点 如图 4-5 把持绕组的通电式样为 AB 为一个轮回 若下一拍为 B 示 可睹 如由 A 惟有 A 相极和 B 相极对转子齿所发作的磁拉力相平均 C 两一致时通电时 双三拍运转时的步距角仍是 30° C 两相通电时 则转子按逆时针转过 30°抵达新的平均地点 但双三拍运转时 B 相连结连接通电形态 每一拍总有一相绕组连接通电 B 两相通电变为 B C 相磁拉力力求使转子逆时针 倾向转动 而 B 相磁拉力却起有制止转子一连向前转动的用意 即起到必然的电磁阻尼用意 以是 电机处事对比平定 而正在三相单三拍运转时 因为没有这种阻尼用意 以是转子抵达新的平均地点 容易发作振荡 安定性不如双三拍运转式样 (a) 图 4-5 三相双三拍运转式样 (b)BC 相导通 (a)AB 相导通 (b) 3 三相单 双六拍通电式样 AB a b B BC C 当A CA A或A AC-C CB B BA A 即一相通电和两 转子 步进电 因 把持绕组的通电式样为 A 拍运转的境况一致 倾向 又转过 15° 如图 4-4 如图 4-4 相通电间隔地轮番举办 杀青一个轮回必要原委六次变动通电形态 当 A 相把持绕组通电时和单三 所示 所示 B 两一致时通电时和双三拍运转的境况一致 当断开 A 相使 B 相独立接通 若一连按 BC AC C C CB CA B BA A 的按序通电 A 时 只可按逆时针倾向转过 15° 如图 4-5 a 所示 动机就一步一步地按逆时针倾向转动 将按顺时针反倾向转动 此 统一台步进电动机 可睹单 转子一连按逆时针 步进电动机 挨次类推 若通电按序变为 A 双六拍运转时 步距角为 15° 比三拍通电式样时减小一半 采用差异的通电式样 可能有差异的拍数 对应运转时的步距角也差异 其余 六拍运转式样每一拍也总有一相把持绕组连接通电 也具有电磁阻尼用意 电机处事也 对比平定 以上这种布局体式的反映式步进电动机 它的步距角较大 往往满意不了体例精度的条件 所 以 大大批采用如图 4-1 所示的定子磁极上带有小齿 转子齿数许众的反映式布局 其步距角可能 做得很小 下面进一步证实它的处事道理 图 4-1 所示的是最常睹的一种小步距角的三相反映式步进电动机 转子上平均分散 40 个齿 矩的用意 定转子的齿宽和齿距都一致 使转子齿的轴线和定子 A A?极下齿的轴线对齐 定子每个极面上有 5 个齿 转子受到反映转 其齿距角为 当 A 相把持绕组通电时 因转子上共有 40 个齿 4 360°/40=9° 定子每个极距所占的齿数为 40 2 =6 6 3 不是整数 如图 4-6 所示 以是 当定子 A 相 即 3° 同样 极下定转子齿对齐时 定子 B 相极和 C 相极下的齿和转子齿挨次有 1/3 齿距的错位 当 A 相断电 B 相把持绕组通电时 正在反映转矩的用意下 转子按逆时针倾向转过 3° 使转子齿的 轴线和定子 B 相极下齿的轴线对齐 这时 定子 C 相极和 A 相极下的齿和转子齿又挨次错开 1/3 齿 距 挨次类推 若一连按单三拍的按序通电 即按 A C B A 转子就按逆时针倾向一步一步地转动 步距角为 3° 当然变动通电按序 电机按顺时针倾向反转 图 4-6 定 转子睁开图 A 相绕组通电 若采用三相单 双六拍的通电式样运转时 和前面阐明的理由全体相似 步距角也减小一半为 1.5° 通过以上阐明可知 转子的齿数不行大肆采纳 由于正在统一相的几个磁极下 定转子齿应同时 对齐或同时错开 才智使几个磁极的用意相加 发作足够的反映转矩 以是转子齿数应是定子磁极 的偶数倍 别的 正在差异相的磁极下 定转子相对地点应挨次错开 1/m 齿距 如此才智正在连结变动 通电形态下 得到接二连三的运动 不然 当某一相把持绕组通电时 转子齿都将处于磁途的磁阻 最小的地点上 各相绕组轮番通电时 转子将不停处于静止形态 电动机不行平常运转 为此 要 求两相邻相磁极轴线之间转子的齿数应为整数加或减 1/m 即 Zr 1 =K± 2mp m 式中 呆滞角 K 为正整数 Zr 为转子的齿数 步距角为 θS = 360° NZ r C =1 而采用单 双拍式样时 4-2 2p 为一相绕组通电时正在圆周上酿成的磁极数 (4-1) 假如以 N 暗示步进电动机运转的拍数 则转子原委 N 步 将转过一个齿距 每转一圈 即 360° 必要走 NZr 步 N = Cm 式中 C 为通电形态系数 当采用单拍或双拍式样时 C=2 由此可睹 扩大拍数和转子的齿数可能减小步距角 有利于提升把持精度 扩大电机的相数可 以扩大拍数 也可能减小步距角 但相数越众 电源及电机的布局越庞大 制价也越高 反映式步 进电动机寻常做到六相 一面的也有八相或更众相 扩大转子的齿数是减小步进电动机步距角的一 个有用途径 目前所利用的步进电动机转子的齿数寻常许众 对一致相数的步进电动机既可采用单 拍式样 也可采用单 双拍式样 以是统一台电机可有两个步距角 如 3°/1.5° 1.5°/0.75° 1.2°/0.6° 等 当通电脉冲的频率为 ? 时 因为转子每原委 NZr 个脉冲转动一周 故步进电动机每分钟的转速 为 n= 60 f NZ r 5 4-3 式中 ? 的单元为 HZ 反映式步进电动机的转速与拍数 N 转子齿数 Zr 及脉冲的频率相合 当转子齿数必然 变动脉冲的频率可能变动电机的转速 可睹 转速与输入脉冲的频率成正比 4-3 一 反映式步进电动机的静态性格 矩角性格(Torgue-angle characteristic) 称为静止形态 简称静态 正在空载境况下 转子的平均地点称为初始 即 T = f ( θ) 称 步进电动机的一相或几相把持绕组通入直流电流 且稳定动它的通电形态 这时转子将固定于 某一平均地点上连结不动 离初始安定平均地点 为矩角性格 反映式步进电动机转子转过一个齿距 从磁途境况来看 蜕化了一个周期 以是 转子一个齿 距所对应的电角度为 2π电弧度或 360°电角度 设静转矩 T 和失调角θ从右向左为正 当失调角θ=0 时 定转子齿的轴线 时 切向磁拉力使转子向右转移 静转矩 T 静转矩 T 0 如图 4-7 b 所示 当θ 当θ=π时 定子齿与转子 0 时 切向磁拉力使转子向左转移 即 T=0 如图 4-7 d 所示 0 如图 4-7 c 所示 安定平均地点 静态时的反映转矩叫静转矩 正在理念空载时静转矩为零 当有扰动用意时 转子偏 偏离的电角度θ称为失调角 静转矩与转子失调角的联系 槽正好相对 转子齿受到定子相邻两个齿磁拉力用意 但巨细相当 倾向相反 发作的静转矩为零 图 4-7 静转矩与转子地点的联系 (a) θ=0 (b) θ0 (c) θ0 (d) θ=π 反映式步进电动机的静转矩 由机电能量转换道理可推导出数学外达式 若不计电机磁途铁芯部门中磁场能量或磁共能蜕化的影响 当惟有一相绕组通电时 积蓄正在电 机气隙中的磁场能量为 Wm = 式中 L 为每相把持绕组的自感 1 2 LI 2 即 4-5 暗示 则 θ = Z rβ 4-4 I 为通入把持绕组中的电流 dWm dβ 当磁链连结稳定 静转矩的巨细等于磁场能量对呆滞角位移的蜕化率 T= 式中 为电机转子的呆滞角位移 用失调角 电角度 相绕组的自感 6 L= 式中 W 为每相把持绕组的匝数 子的齿正好对齐时 小 气隙磁导最大 wΦ = W 2Λ I 4-6 为每相把持绕组对应的磁导 气隙磁导最 为每相把持绕组的磁通 用直轴磁导 Λ d 暗示 假如略去磁导中高次谐波的影响 步进电动机的磁导近似地绘出如图 4-8 所示的弧线 当定转 当定子齿和转子槽相对时 用交轴磁导 Λ q 暗示 其数学联系式为 Λ= 静转矩为 T= 1 (Λ d + Λ q ) + 1 (Λ d ? Λ q )cos θ 2 2 4-7 dWm 1 2 dL 1 Z 2 dΛ 2 = ? r (WI ) (Λ d ? Λ q )sin(Z r β ) = I = (WI ) dβ dβ 2 dβ 2 4 4-8 = ?Tmax sin (Z r β ) = ?Tmax sin θ 式中 Tmax = Z r (WI ) (Λ d ? Λ q ) 2 4 称为最大静转矩 理念的矩角性格是一个正弦波 步进电动机的矩角性格 如图 4-9 所示 图 4-9 步进电动机的矩角性格 图 4-8 磁导蜕化弧线 正在矩角性格上 复到θ=0 这一地点 θ=0 是理念的安定平均地点 从而解除失调角 当θ= π时 由于此时若有外力矩扰乱使转子偏离它的安定平 固然此时 T 也等于零 θ 可是假如有外力矩的干 衡地点 只须偏离的角度正在-π +π之间 一朝扰乱隐没 电机的转子正在静转矩的用意下 将自愿恢 扰使转子偏离该地点 当扰乱隐没时 转子回不到原先的地点 而是正在静转矩的用意下 转子将稳 定到θ=0 或 2π的地点上 以是θ= 转子又能回到初始安定平均地点 二 最大静转矩 正在θ= 90°有最大静转矩 Tmax 2 π为担心定平均地点 -π π之间的区域称为静安定区 正在这 一区域内 当转子转轴上的负载转矩与静转矩相平均时 转子能安定正在某一地点 当负载转矩隐没 当一相绕组通电时 若有众相绕组同时通电时 最大静转矩为 4-9 K = 2 cos Tmax = K 式中 Z r (WI ) (Λ d ? Λ q ) 4 当两相把持绕组同时通电时 K 为众相把持绕组同时通电时的转矩增大系数 2π m π m 当三相把持绕组同时通电时 K = 1 + 2 cos 正在必然通电形态下 最大静转矩与把持绕组中电流的联系 7 即 Tmax = f ( I ) 称为最大静转矩特 性 如图 4-10 所示 因为铁磁质料的非线性 Tmax 与 I 之间也呈非线性联系 当把持绕组中电流较小 当电流较大时 电机磁途不 最大静转矩 Tmax 与把持绕组中电流 I 的平方成正比 因为磁饱和的影响 饱和时 最大静转矩 Tmax 的扩大变缓 图 4-10 最大静转矩性格 三 距角性格族 正在阐明步进电动机动态运转时 不单要明晰某一相把持绕组通电时的矩角性格 并且要明晰整 个运转进程中 各相把持绕组通电形态下的矩角性格 即所谓矩角性格族 以三相单三拍的通电方 式为例 若将失调角θ的坐标轴联合取正在 A 相磁极的轴线上 中弧线 A 所示 中弧线 C 安定平均点为 OA 点 B 相通电时 分明 A 相通电时矩角性格如图 4-11 相当于转过 2π/3 电角度 总之 矩角性格族中的每一 转子转过 1/3 齿距 它的安定平均点应为 OB 点 矩角性格如图 4-11 中弧线 B 所示 同理 C 相通电时矩角性格如图 4-11 这三条弧线就组成了三相单三拍通电式样时的矩角性格族 条弧线挨次错开一个用电角度暗示的步矩角 θ se θ se = Z r θ s = 同理 可获得三相单 2π N 如图 4-12 所示 4-10 双六拍通电式样时的矩角性格族 图 4-11 三拍时的矩角性格族 图 4-12 六拍时的矩角性格族 4-4 反映式步进电动机的动态性格 动态性格是指步进电动机正在运转进程中的性格 它直接影响体例处事的牢靠性和体例的迅速反 应 8 一 行式样 一 单步运转形态 单步运转形态是指步进电动机正在一相或众相把持绕组通电形态下 仅变动一次通电形态时的运 动安定区 矩角性格如图 4-13 中的弧线 A 所示 若步进电动机为理念空载 则 当 A 相把持绕组通电时 转子处于安定平均点 OA 处 假如将 A 相通电变动为 B 相通电 那么矩角性格应向前转移一个步距角 θ se 变为弧线 B OB 点为新的安定平均点 因为正在变动通电形态的初瞬转子地点来不足变动还处于θ=0 的地点 对应的电磁转矩却由 O 突变为 TC 直至抵达 OB 点为止 弧线 B 上的 C 点 电机正在该转矩的用意下 -π+ θ se θ 转子向新 即改 π+ θ se 的安定平均地点转移 对应它的静安定区为 变通电形态的刹那 只须转子正在这个区域内 就能趋势新的安定平均地点 以是 把后一个通电相 的静安定区称为前一个通电相的动安定区 把初始安定平均点 OA 与动安定区的畛域点 a 之间的间隔 称为安定裕度 拍数越众 步距角越小 动安定区就越亲近静安定区 安定裕度越大 运转的安定 性越好 转子从原先的安定平均点抵达新的安定平均点的年光越短 也许呼应的频率也就越高 图 4-13 动安定区 二 最大负载本事 st 步进电动机带恒定负载时 负载转矩为 TL1 且 TL1 个把持脉冲信号 通电形态由 A 相变动为 B 相 若 A 相把持绕组通电 则转子的安定 平均地点为图 4-14 a 中弧线 A 上的 OA?点 这一点的电磁转矩正好与负载转矩相平均 当输入一 矩角性格变为弧线 B 正在变动通电形态的刹那电机 抵达新的安定平 发作的电磁转矩 Ta′ 大于负载转矩 TL1 衡点 OB? 电机正在该转矩的用意下 转过一个步距角 (a) 图 4-14 最大负载转矩切实定 9 (b) (a) Tst TL1 (b) Tst TL 2 假如负载转矩增大为 TL2 且 TL2 Tst 如图 4-14 b ′ 点 则初始平均地点为 O ′A 但正在 变动通电形态的刹那电机发作电磁转矩为 Ta′′ 因为 Ta′′ TL2 以是转子不行抵达新的安定平均地点 ′′ 点 而是向失调角θ减小的倾向滑动 电机不行鼓动负载作步进运转 这时步进电动机实质上是 OB 处于失控形态 由此可睹 惟有负载转矩小于相邻两个矩角性格交点 S 所对应的电磁转矩 Tst 才智保障电机正 常的步进运转 把 Tst 称为最大负载转矩 也称为启动转矩 当然它比最大静转矩 Tmax 要小 由图 4-14 可求得启动转矩 θ ? π ? θ se ? Tst =T maxsin? ? = Tmax cos se 2 ? 2 ? 4-11 将式 4-10 代入式 4-11 可得 Tst = Tmax cos 由式 4-12 可知 当 Tmax 必然 π π = Tmax cos N mC 假如电机的相数增加 4-12 当通电形态系数 C=1 时 通电形态系数较大时 扩大运转拍数可能增大启动转矩 平常布局的反映式步进电动机起码的相数务必是三 最大负载转矩也随之增大 其余 矩角性格的波形对电动机带负载的本事也有较大影响 当矩角性格为平顶波时 Tst 值接 近于 Tmax 值 的转速 三 电机带负载本事较大 以是 步进电动机理念的矩角性格应是矩形波 日常 TL= 0.3 0.5 Tmax Tst 是步进电动机作单步运转时的负载转矩极限值 因为负载大概爆发蜕化 电机还要具有必然 因此实质利用时 转子振荡形象 通过图 4-13 加以证实 最大负载转矩比 Tst 要小 上面阐明以为当把持绕组变动通电形态后 转子贫乏地趋势平均地点 但实质上因为转子有惯 性 它要原委一个振荡进程 步进电动机空载 开端时 A 相把持绕组通电 转子处正在失调角θ=0 的地点 当变动为 B 相绕组 通电时 正在电磁转矩的用意下 转子将加快趋势新的平均地点 OB 抵达 OB 时 电磁转矩为零 但 速率并不为零 正在惯性的用意下 转子将一连转动越过新的平均地点 OB 此时电磁转矩变为负值 即反倾向用意正在转子上 因此电机开端减速 跟着失调角θ增大 反向转矩也随之增大 若不商量 2 θ se 的 电机的阻尼用意 则转子将不停转到θ=2 θ se 的地点 转子转速减为零 之后电机正在反向转矩的用意 下 转子向反倾向转动 又越过平均地点 OB 直至θ=0 如此 转子就以 OB 为中央 正在 0 区域内来回作不衰减的振荡 称为无阻尼的自正在振荡 如图 4-15 所示 图 4-13 中矩角性格 B 的数学外达式为 T = ?Tmax sin(θ ? θ se ) 当电动机的负载转矩为零 且不计阻尼用意 其运动方程式为 (4-14) 4-13 J 式中 J 为转动部门的转动惯量 d? = ?Tmax sin (θ ? θ se ) dt 近似以为 当步距角 θ se 不太大时 偏转角改变的周围就较小 sin (θ ? θ se ) ≈ θ ? θ se = Z r β ? θ se 式 4-15 代入式 4-14 整饬得 10 4-15 J d? = ?(β ? θ s ) Z rTmax dt 若初始条目 t=0 时 =0 ?=0 4-16 可得自正在振荡的角频率为 4-17 则解式 Z r Tmax J 4-16 ?o = 自正在振荡频率为 f0 = 1 Z r Tmax 2π J 4-18 实质上 因为轴承的摩擦和风阻等的阻尼用意 转子正在平均地点的振荡进程老是衰减的 如图 4-16 所示 阻尼用意越大 衰减的越速 这也是咱们所生机的 图 4-15 无阻尼时转子自正在振荡 图 4-16 有阻尼时转子的衰减振荡 二 一 连结脉冲运转形态 寻常均处事于连结脉冲运转形态 脉冲频率对电动机处事的影响 下面分三个频率区段举办接洽 步进电动机正在实质利用中 步进电动机把持脉冲的频率往往会正在很大周围内蜕化 脉冲频率差异 脉冲连接的年光也差异 步进电动机的处事境况也千差万别 1 频率极低时的连结步进运转 当把持脉冲频率极低时 脉冲连接的年光很长 而且大于转子衰减振荡的年光 也便是说不才 一个把持脉冲尚未到来时 转子依然处正在某安定平均地点 故其每一步都和单步运转相似 电机具 有昭着的步进特点 如图 4-17 所示 图 4-17 具有步进特点的运转 2 频率很低时的低频共振 下一个把持脉冲就到来 2 3 当把持脉冲的频率等于或亲近步进电动机的振荡频率 f 0 的 以至失步和无法处事 正在把持脉冲的频率 ?= f 0 时 电动机将全体 当把持脉冲的频率比前一种高 脉冲连接的年光比转子衰减振荡的年光短 这时转子还未安定 正在平均地点 1/K 时 K=1 电机就会显露激烈振动 步进电动机正在空载的境况下 且不商量阻尼用意 11 遗失把持用意 以三相单三拍为例加以证实 如图 4-18 所示 图 4-18 低频共振形象 开端时转子处于 A 相矩角性格的平均地点 OA 点 第一个脉冲到来时 通电绕组换为 B 相 则 转子应向 B 相的平均地点 OB 点转动 当转子振荡了一个周期 d OB e OB 恰巧回到肇始安定平均地点时 相 当于转子处事点地点正在矩角性格 B 上由 OA d 这时第二个脉冲到来 通电绕组又 O′ C 换为 C 相 处事点由矩角性格 B 上的 d 点搬动到矩角性格 C 上的 f 点 这时转子受到的电磁转矩为 负值 以是转子不向平均地点 Oc 点转动 而是向 O′ 相当于转子正在矩角性格 C 上由 f C 点转动 g O′ C f 即转子反倾向振荡 这时第三个脉冲到来 转子由 f 点移到 OA 点 此时的电磁转矩 此时电动机全体失控 这个形象叫低频共振 可睹 正在无阻尼低频共振时步进电动机发 等于零 转子不再转动 今后反复上述进程 如此 无论原委几个通电轮回 转子永远处正在原先的 地点 OA 生了失步 寻常境况下 一次失步的步数是运转拍数的整数倍 失步主要时 转子停息正在某一地点 上或环绕某一地点振荡 步进电动机正在实质运转时 总存正在有阻尼用意 越发正在带负载或外加阻尼器时 阻尼的用意较 强 转子振荡衰减的较速 振荡的幅度也较小 只须振荡的最大幅值处正在动安定区之内 即使转子 有振荡 电机也能连结不失步 别的 拍数越众 步距角越小 动安定区就越亲近静安定区 如此 也可解除低频失步 当把持脉冲的频率等于 1/K 转子振荡频率时 也有发作共振的大概 图 4-19 暗示转子振荡两 个周期时 下一个脉冲到来的转子运动法则 可睹 正在变动通电形态时 它的振荡幅度昭着比第一 个周期要小得众 这些共振形象往往不太昭着 寻常也不会变成失步 振荡频率是客观存正在的 它是由体例的电磁参数和呆滞参数所决断 以是 正在实质运转时应避 开正在共振频率下运转 有时为了减弱低频共振 往往采用阻尼的本领来满意 阻尼可分为呆滞阻尼 和电气阻尼 呆滞阻尼是扩大电机转子的干摩擦阻力或扩大粘性阻力 电气阻尼有众相励磁和延迟 断开两种本领 它们都是操纵有一相绕组正在两拍间的通电 所发作的磁场正在转子运动进程中起阻尼 用意 还应指出 低频共振形象不仅是一个特定的脉冲频率值 而是正在它邻近的一个频率区间 只 是正在 ?=?0 时 共振形象最为昭着 12 图 4-19 具有振荡特点的运转 3 频率很高时的连结运转 当把持脉冲的频率很高时 脉冲间隔的年光很短 电机转子尚未抵达第一次振荡的幅值 以至 还没有抵达新的安定平均地点 下一个脉冲就到来 此时电机的运转已由步进酿成了连结腻滑的转 动 转速也对比安定 二 矩频性格 如图 4-20 所示 当频率太高时 也会发作失步 以至还会发作高频振荡 请读者自行阐明 torque-frequency characteristic 但当把持脉冲的频率渐渐扩大 步进电动 步进电动机作单步运转时的最大应许负载转矩为 Tst 机的转速渐渐升高时 步进电动机所能带的负载使转矩值将慢慢降落 这便是说 电机转动时所产 生的电磁转矩是随频率的升高而减小的 把电磁转矩和脉冲频率的联系称为矩频性格 它是一条随 频率扩大电磁转矩降落的弧线 所示 把持脉冲频率升高 电磁转矩降落的苛重理由是把持绕组呈电感性 由于它具有延缓电流蜕化 的用意 日常外加脉冲电压都是矩形波 当把持脉冲频率较低时 每相绕组通电和断电的年光较长 绕组中电流的上升和降落均能抵达安定值 其波形亲近于矩形波 正在通电年光内电流的均匀值较大 电机发作的均匀转矩也较大 如图 4-22 a 所示 当脉冲频率升高 因为电途的年光常数稳定 电流的波形与矩形波分歧较大 通电年光内电流的均匀值降落 电机发作的均匀转矩低浸 如图 4-22 b 所示 当脉冲的频率进一步升高 电流的均匀值进一步降落 使均匀转矩大大减小 如图 4-22 c 所示 图 4-21 步进电动机的矩频性格 图 4-20 连结运转形态 其余 跟着脉冲频率上升 转子转速升高 正在把持绕组中将发作附加转动电动势 并酿成附加 电流 使电机受到电磁阻尼用意 以致电机的电磁转矩进一步减小 当脉冲频率上升到必然数值后 电机便带不动任何负载 轻则电时机失步 重则停转 13 图 4-22 电流与频率的联系 三 连结运转频率 步进电动机正在必然负载转矩下 不失步连结运转的最高频率称为电机的连结运转频率 其值越 高电机转速越高 这是步进电动机的一个要紧本事目标 连结运转频率不单随负载转矩的扩大而下 降 并且更苛重的是受把持绕组年光常数的影响 正在负载转矩必然时 为了提升连结运转频率日常 采用的本领是 第一 正在把持绕组中串入电阻 并相应提升电源电压 如此可能减小电途的年光常 数 使把持绕组的电流缓慢上升 第二 采用高 低压驱动电途 提升脉冲肇始部门的电压 改革 电流波形的前沿 使把持绕组中的电流迅速上升 其余 转动惯量对连结运转频率也有必然的影响 由于跟着转动惯量的扩大摩擦力矩也相应增大 转子就会跟不上磁场蜕化的速率 末了因胜过动稳 定区而失步或发作振荡 四 从而局限连结运转的频率 启动频率和启动性格 它的巨细与电机自身的参数 负载转矩 转动惯量及电源条目等要素相合 它是衡 正在必然负载转矩下 电机不失步地平常启动所能加的最高把持脉冲的频率 称为启动频率 也 称突跳频率 量步进电动机迅速性的要紧本事目标 步进电动机正在启动时 还要治服轴上的惯性转矩 J 转子要从静止形态开端加快 d? dt 电机的电磁转矩除了治服负载转矩以外 当启动时脉冲频率过 以是启动时电机的职守比连结运转时要重 高 转子的运动速率跟不上定子磁场的蜕化 转子就要落伍安定平均地点一个角度 当落伍的角度 使转子的地点正在动安定区以外 步进电动机就要失步或振荡 电动机就不行启动 为此 对启动频 率就要有必然的局限 但电机一朝起动后 假如再渐渐升高脉冲频率 分明 因为这时转子的角加快率 d?/dt 较小 惯性转矩不大 以是电机仍能升速 连结运转频率要比启动频率高 当电机带着必然的负载转矩启动时 用意正在电机转子上的加快转矩为电磁转矩与负载转矩之 差 负载转矩越大 加快转矩就越小 电机就越阻挠易启动 其启动的脉冲频率就应当越低 正在转 动惯量 J 为常数时 启动频率 ?st 和负载转矩 TL 之间的联系 即 f st = f (TL ) 称为启动矩频性格 如 图 4-23 所示 别的 正在负载转矩必然时 转动惯量越大 转子速率的扩大越慢 启动频率也越低 启动频率 ?st 和转动惯量 J 之间的联系 即 f st = f (J ) 称为启动惯频性格 如图 4-24 所示 增 要提升启动频率 可从以下几方面商量 扩大电机的相数 运转的拍数和转子的齿数 14 大最大静转矩 阻尼转矩等 减小电机的负载和转动惯量 减小电途的年光常数 减小电机内部或外部的 图 4-23 起动矩频性格 图 4-24 起动惯频性格 4-5 一 永磁式步进电动机 其他型式的步进电动机 图 4-25 是永磁式步进电动机的布局道理图 为凸极式星形磁钢 每相为两对极 即步距角为 45° 永磁式步进电动机的步距角 θs = 用电弧度暗示则有 当定子绕组按 A 以是转子也是两对极 B (–A) * 定子为凸极式 装有两相 或众相 绕组 A 转子 B 其极对数与定子每相绕组的极对数一致 即 p=2 A 的程序轮番通电时 (–B) 图中定子为两相蚁合绕组 转子将按顺时针倾向每次转过 45° 360° Np (4-19) θ se = 式中 p 为转子极对数 2π π = N m (4-20) * A 为正脉冲 A 为负脉冲 15 图 4-25 永磁式步进电动机的布局道理图 上述这种通电式样为两相单四拍 条件把持电途既能输出正脉冲 也能输出负脉冲 电源较复 杂 若每个定子磁极上绕两套绕向相反的绕组 则电源只发正脉冲即可 简化电源电途 但电机的 用铜量和尺寸等均要扩大 其余 另有两相双四拍通电式样 即 AB B(–A) (–A)(–B) (–B)A AB 永磁式步进电动机的特色是 步距角大 启动和运转频率较低 但它所需的把持功率较小 效 率高 且正在断电境况下具有定位转矩 二 搀杂式步进电动机 苛重用于新型自愿化仪外 搀杂式步进电动机也称为感触子式步进电动机 这是一种非常时兴的步进电动机 它既有反映 式步进电动机小步距角的特色 又有永磁式步进电动机的高作用 绕组电感对比小的特色 往往也 行动低速同步电动机运转 一 两相搀杂式步进电动机的布局 定子的布局与反映式步进电动机根基一致 沿着 极面上有小齿 极身上有把持绕组 把持绕组的接线 为两相搀杂式步进电动机的轴向剖视图 圆周有若干个凸出的磁极 转子由环形磁钢和两段铁芯构成 环形磁钢正在转子中部 轴向充磁 两段铁芯永诀装正在磁钢的两头 转子铁芯上也有小齿 两段铁芯上的小齿彼此错开半个齿距 定转子的齿距和齿宽一致 齿数的配 合与单段反映式步进电动机一致 图 4-26 磁途搀杂式步进电动机轴向剖视图 图 4-28 为转子段横截面图 匀分散着 50 个齿 是齿对槽 对齿 二 如图 4-28 磁阻最大 b 如图 4-28 所示 定子上平均分散有 8 个磁极 a 所示 此时 每个磁极下有 5 个小齿 气隙磁阻最小 转子上均 当磁极 1 下是齿对齿时 磁极 5 下也是齿对齿 磁极 3 和 7 下 磁极 1?和 5?正好是齿对槽 磁极 3?和 7?是齿 两相搀杂式步进电动机的处事道理 搀杂式步进电动机用意正在气隙上的磁动势有两个 一个是由万世磁钢发作的磁动势 另一个是 由把持绕组发作的磁动势 这两个磁动势有时是相加的 有时是相减的 视把持绕组中电流倾向而 定 这种步进电动机的特色是混入了万世磁钢的磁动势 故称为搀杂式步进电动机 1 零电流时处事形态 各相把持绕组中没有电流利过 这时气隙中的磁动势仅由万世磁钢的磁动势决断 假如电机的 16 布局全体对称 各个定子磁极下的气隙磁动势将全体相当 电动机无电磁转矩 由于永磁磁途是轴 向的 从转子 B 端到定子的 B 端 轴向到定子的 A 端 转子的 A 端 经磁钢闭合 正在这个磁途上 总的磁导与转子地点无合 这一方面因为转子不管处于什么地点 每一端的差异极下 磁导有的大 有的小 但总和稳定 另一方面因为两段转子的齿错开了半个齿距 以是纵然正在一个极的周围内看 当 B 端磁导增大时 A 端一定减小 也使总磁导正在转子地点差异时连结稳定 (a) 图 4-28 磁极转子段的横截面图 (a) S 极转子段截面图 (b) (b) N 极转子段截面图 2 矩 b 绕组通电时处事形态 当 A 相绕组通电时 转子的安定平均地点如图 4-29 a 所示 若使转 当把持绕组有电流利过期 便发作磁动势 它与万世磁钢发作的磁动势彼此用意 发作电磁转 使转子发作步进运动 所示 可能看出 子偏离这一地点 如转子向右偏离了一个角度 则定转子齿的相对地点及用意转矩的倾向如图 4-29 正在差异端差异极的用意转矩都是同倾向的 都是使转子回到安定平均地点 的倾向 可睹 两相搀杂式步进电动机的安定平均地点是 定转子异极性的极面下磁导最大 而同 极性的极面下磁导最小的地点 (a) (b) 图 4-29 安定平均地点及偏离时的用意转矩倾向 与 A 相相邻的 B 相磁极下 定转子齿的相对地点错开 1/m 齿距 即步距角为 360° 2mZ r 17 以是当由 A 相通电变动为 B 相通电时 转子的安定平均地点将转移 1/m 齿距 θs = 用电弧度外则为 4-21 θ se = 三 1 通电式样 2π π = 2m m 4-22 单四拍通电式样 B (-A) (-B) A 的程序轮 每转的步数 4Zr 若转子齿数为 50 B(-A) (-A)(-B) 每转为 200 步 (-B)A AB 的程序轮番通 每拍惟有一相绕组通电 四拍组成一个轮回 两相把持绕组按 A 流利电 每拍转子转动 1/4 转子齿距 2 电 双四拍通电式样 两相把持绕组按 AB 则每转也是 200 步 和单四拍一致 每拍有两相绕组同时通电 若转子齿数也为 50 3 单 双八拍通电式样 AB B B(-A) (-A) (-A)(-B) (-B) (-B)A 但二者的空间定位不重合 前面两种通电式样的轮回拍数都等于四 称为满步通电式样 若通电轮回拍数为八 称为半步 通电式样 即按 A 转动 1/8 转子齿距 4 A 的程序轮番通电 每拍转子 若 Zr=50 则每转为 400 步 细分通电式样 若调理两相绕组中电流分派的比例和倾向 使相应的合成转矩正在空间处于大肆地点上 则轮回 拍数可为大肆值 称为细分通电式样 实际上便是把步距角减小 如前面八拍通电式样依然将单四 拍或双四拍细分了一半 负载本事也有所扩大 差异的只是相数增加 这里就不逐一先容了 采用细分通电式样可使步进电动机的运转更平定 定位分离率特别提升 而且步进电动机可作低速同步运转 使定子磁极数由 8 个扩大为 10 个 每个极面下的小齿由 5 个淘汰为 4 个 除了两相搀杂式步进电动机以外 另有伯格五相搀杂式步进电动机 它们的布局道理根基一致 步进电动机除了以上阐明的几种常用型式外 另有许众型式 如单相式 滚切式 相易感触等 4-6 驱动电源 步进电动机必要由特意的驱动电源供电 驱动电源和步进电动机是一个有机的满堂 步进电动 机的运转机能是电动机及其驱动电源二者配合所反响的归纳功效 驱动电源的体式许众 分类本领也许众 按配套的步进电动机容量巨细 可分为功率步进电动 机驱动电源和伺服电动机驱动电源两大类 按输出脉冲的极性可分为单向脉冲电源和正 负双极性 脉冲电源两种 按功率放大器的型式分为简单电压型 崎岖压切换型 电流把持崎岖压切换型 细 分电途电源和定电流斩波升频升压等 无论那一种电源 它应满意以下根基条件 要满意步进 驱动电源的相数 通电式样和电压 电流都要与所驱动的步进电动机相成婚 电动机起动频率和连结运转频率的条件 能最大节制地胁制步进电动机的振荡 处事牢靠 本钱低 抗扰乱本事强; 作用高 安置保卫便利 一 驱动电源的构成 步进电动机的驱动电源由变频信号源 脉冲分派器和脉冲放大器三部门构成 如图 4-30 所示 变频信号源是一个脉冲信号爆发器 脉冲的频率可能由几赫兹到几十千赫兹连结蜕化 达成这 一功用的电子线途许众 最常睹的有众谐振荡器和单结晶体管组成的张弛振荡器两种 18 图 4-30 驱动电源方框图 脉冲分派器 也称环形分派器 是一个数字逻辑单位 它领受一个单相的脉冲信号 遵照运转 指令把脉冲信号按必然的逻辑联系加到脉冲放大器上 使步进电动机按选定的运转式样处事 它可 以由双稳态触发器和门电途构成 也可用可编程逻辑器件构成 目前已有专用的集成电途 如三 四相步进电动机脉冲分派器 PMM8713 便是此中一种 了一种三相单三拍脉冲分派器的电途图及脉冲波形图 构成 JK 触发器的线 所示 为证实脉冲分派器的处事道理 图 4-31 给出 0 即 该脉冲分派器由二个 JK 触发器和三个与门 加上预置脉冲信号使触发器置 开端处事时 Q1 = Q 2 = 0 于是有 A= Q1 Q 2 = 1 ? 1 = 1 暗示 A 相输入一把持脉冲 而 B= Q1 Q 2 = 0 ? 1 = 0 C = Q 2 = 0 即B C 相无把持信号 由外 4-1 知 当正在 CP 端输入第一个步进脉冲信号 此时为 求补 0 以是 Q1(t+1)=1 第一个 JK 触发器 J1= Q 2 =1 K1=1 Q1(t)=0 Q2(t)=0 第二个 JK 触发器 J2=Q1=0 K2= Q1 =1 由 外 4-1 知 此 时 为 置 C=Q2(t+1)=0 所 以 Q2(t+1)=0 与 门 给 出 A= Q1 (t+1)? Q 2 (t+1)=0 余类推 读者可自行阐明 B=Q1(t+1)? Q 2 (t+1)=1 外 4-1 J 1 0 0 1 惟有 B 相有把持脉冲 JK 触发器线 Q(t) 说 置 置 明 1 0 稳定 求补 Q (t) (a) (b) 图 4-31 三相单三拍脉冲分派器 19 脉冲放大器是要举办脉冲功率的放大 步进电动机处事时必要的电流较大 二 一 1 步进电动机的典范驱动式样 单极性驱动 单电压驱动式样 由于从脉冲分派器也许输出的电流很小 以是 必要举办功率放大 毫安级 而 寻常几安到几十安 功率放大电 途的品种许众 它们对电机机能的影响也各纷歧致 脉冲放大器是每相绕组一套 图 4-32 所示为一相把持绕组驱动电途的道理图 把持绕组中有电流流过 中串联电阻 R?1 不然 功率管 V 合断 当有把持脉冲信号输入时 功率管 V 导通 把持绕组中没有电流流过 为了减小把持绕组电途的年光常数 提升步进电动机的动态转矩 改革运转机能 正在把持绕组 同时也起限流用意 电阻两头并联电容 C 的用意是改革注入步进电机把持绕组中 电流脉冲的前沿 正在功率管 V 导通的刹那 因为电容上的电压不行跃变 电容 C 相当于将电阻 R 短 接 使把持绕组中的电流缓慢上升 如此就使得电流波形的前沿昭着变陡 可是 假如电容 C 采用 不妥 正在低频段会使振荡有所扩大 惹起低频机能变差 因为功率管 V 由导通猛然变为合断形态时 正在把持绕组中会发作很高的电动势 其极性与电源 的极性同等 二者叠加正在沿途用意到功率管 V 的集电极上 很容易使功率管击穿 为此 并联一个 二极管 D 及其串联电阻 R?2 打发能量 使得处事作用低 酿成放电回途 局限功率管 V 集电极上的电压 功率元件少 本钱低 袒护功率管 V 单电压驱动式样的最大特色是线途单纯 但它的错误是因为电阻 R?1 要 以是这种驱动式样只合用小功率步进电动机的驱动 图 4-32 单电压驱动电途道理图 图 4-33 崎岖电压驱动电途道理图 2 崎岖电压驱动式样 双电压驱动式样 V2 导通 低压电源 把持绕组中的电 崎岖压驱动电途道理如图 4-33 所示 当输入把持脉冲信号时 功率管 V1 因为二极管 D1 接受反向电压处于截止形态不升引意 流检测电途 供电 使功率管 V1 合断 V2 已经导通 高压电源加正在把持绕组上 流缓慢上升 使电流波形的前沿很陡 当电流上升到额定值或稍比额定值高时 操纵守时电途或电 二极管 D1 也由截止变为导通 功率管 V2 截止 把持绕组由低压电源 坚持其额定稳态电流 当输入信号为零时 把持绕组中的电流利过二极管 目标是为了调治控 D2 的续流用意向高压电源放电 绕组中的电流缓慢减小 电阻 R?1 的阻值很小 制绕组中的电流 使各相电流平均 这种驱动式样的特色是电源功耗对比小 作用对比高 因为电 20 流的波形获得了很大的改革 以是电机的矩频性格好 启动和运转频率获得了很大的提升 它的主 要错误是正在低频运转时输入能量过大 变成电机低频振荡加重 同时也增大了电源的容量 因为电 源电压的提升 也提升了对功率管机能参数的条件 这种驱动式样常用于大功率步进电动机的驱动 3 定电流斩波驱动式样 时常会显露把持绕组中电流波顶下凹的形象 如图 4-34 所示 这 磁导的蜕化正在绕组中发作感触电动势以及相间的互感等理由而变成的 步进电动机正在运转进程中 苛重是因为电机正在转动时 这一形象会惹起电机转矩降落 动态机能变差 以至使电机失步 为明晰除这一形象 日常采用定 电流斩波驱动式样 它是正在崎岖压驱动电途的根本上 遵照把持绕组中电流的蜕化境况 几次地接 通和断开高压电源 使绕组中的电流永远坚持正在条件的周围内 如图 4-35 所示 图 4-34 电流波顶下凹形象 图 4-35 定电流斩波驱动把持绕组的电流波形 图 4-36 是定电流斩波驱动电途道理图 当有把持脉冲信号输入时 功率管 V1 V2 导通 把持 绕组中的电流正在高压电源用意下缓慢上升 当上升到电流 I1 时 电流检测信号使功率管 V1 合断 高 压电源被切除 低压电源对绕组供电 若是因为某种理由使电流降落到 I 2 时 电流检测装备再次发 出信号 使 V1 导通 电流再次上升 如此如许几次举办 就可使电流坚持正在条件值的邻近 这种驱动式样不单具有崎岖压驱动式样的甜头 并且因为电流的波形获得了赔偿 使电机的运 行机能获得明显提升 它的错误是线途相对较庞大 并且条件功率管的开合速率高 别的 对待小功率的步进电动机 也可能把功率管 V2 去掉 成为单电压定电流斩波驱动电途 读者自行阐明 图 4-36 定电流斩波驱动电途道理图 4 调频调压驱动式样 21 从性质上来说 步进电动机把持绕组中的电流对运转机能起着决断性的用意 寻常生机正在低速 时绕组电流上升迟钝极少 使转子向新的安定平均地点转移时不要主要的过冲 避免发作昭着的振 荡 而正在高速运转时生机电流波形的前沿较陡 以修容身够的绕组电流 提升带负载本事 然而前 几种驱动电途都不行很好满意这一条件 以是 可采用调频调压驱动式样 电压调理器用脉冲调宽 PWM 达成调压 输 调频调压驱动式样的电途道理如图 4-37 所示 出电压随脉冲频率的上升而上升 积分器对脉冲举办积分 其输出电压与锯齿波爆发器发作的锯齿 波正在对比器中举办对比 发作脉宽随频率蜕化的把持脉冲信号 用该信号把持电压调理器 即可控 制 U2 的巨细 绕组中的电流 绕组所加电压高 抵达随输入把持脉冲频率的蜕化自愿调理把持绕组电源电压的目标 即输入把持脉冲频率低 电流上升较速 绕组所加电压低 a 电流上升较缓 b 所示 电流波形如图 4-38 从而调治把持 输入把持脉冲频率高 图 4-37 调频调压驱动电途道理图 这种驱动式样不单线途对比庞大 并且正在实质运转时针对差异参数的电机 还要相应调理电压 U2 与输入把持脉冲频率的性格 5 细分驱动式样 寻常步进电动机受创设工艺的局限 它的步距角是有限的 而实质中的某些体例往往条件步进 电动机的步距角务必很小 才智杀青加工工艺条件 如数控机床为了提升加工精度 条件脉冲当量 为 0.01mm/脉冲支配 以至条件抵达 0.001mm/脉冲支配 这时寻常的驱动式样是无计可施的 为此 常采用细分驱动式样 所谓细分驱动式样 便是把原先的一步再细分成若干步 使步进电动机的转 动近似为匀速运动 并能正在任何地点停步 为抵达这一目标 可将原先的矩形脉冲电流改为阶梯波 电流 如图 4-39 所示 如此正在输入电流的每个阶梯 电机转动一步 步距角减小了许众 从而提 高了运转的腻滑性 改革了低频性格 负载本事也有所扩大 图 4-38 调频调压电流波形 a 低频低压 b 高频高压 图 4-39 阶梯电流波形 达成阶梯波形电流日常有两种本领 大 第一种是 酿成阶梯波电流 如图 4-40 a 所示 这种 通过按序脉冲酿成器所酿成的各个等幅等宽的脉冲 用几个全体一致的开合放大器永诀举办功率放 末了正在电机的绕组中将这些脉冲电流举办叠加 本领是功放元件成倍扩大 但元件的容量成倍低浸 且布局单纯 容易调理 它合用于中 大功率 22 步进电动机的驱动 第二种是把按序脉冲酿成器所酿成的等幅等宽的脉冲 先合成阶梯波 然后对 阶梯波举办放大去驱动步进电动机 如图 4-40 b 所示 这种本领是功率元件少 但元件的容量 较大 它合用于眇小功率步进电动机的驱动 (a) 图 4-40 阶梯波形电流合成的道理图 b 先合成后放大 (a)先放大后合成 (b) 二 双极性驱动 合用于反映式步进电动 增大低速时的转矩 如图 4-41 a 所示 以上先容的百般驱动电途只可使把持绕组中的电流向一个倾向滚动 性驱动电途驱动 即绕组电流能正 反倾向滚动 机 而对待永磁式或搀杂式步进电动机 处事时条件定子磁极的极性交变 日常条件其绕组由双极 如此可能提升绕组操纵率 假如体例能供给适宜的正负功率电源 若 V1 导通能供给正向电流 供给反向电流 则双极性驱动电途将相当单纯 则 V2 导通就能供给反向电流 然而大大批体例惟有单极性的功率电源 这时就要采用全桥式驱动电途 如图 4-41 b 所示 若 V2 和 V3 导通供给正向电流 则 V1 V4 导通 (a) 图 4-41 双极性驱动电源道理图 (b) 因为双极性驱动电途较为庞大 过去仅用于大功率步进电动机 但近年来显露了集成化的双极 性驱动芯片 使它能便利地利用于对作用和体积条件较高的产物中 下面以 L298 双 H 桥驱动器和 L297 步进电动机恒流斩波驱动器构成的双极性恒流斩波驱动电途 为例 先容集成化驱动电途的利用 L297 是 ST 公司推出的一种步进电动机斩波驱动把持器 性四相步进电动机的把持 半步/全步信号 2 图 4-42 是它的道理框图 1 译码器 即脉冲分派器 斩波器 由对比器 合用于双极性两相步进电动机或单极 正/反转倾向信号 CW/CCW 并举办 它苛重包蕴下列三部门 它将输入的走步时钟脉冲 CP HALF/FULL 归纳今后 发作合乎条件的各相通断信号 触发器和振荡器构成 用于检测电流采样值和参考电压值 对比 由对比器输出信号来开通触发器 再通过振荡器按必然频率酿成斩波信号 23 3 输出逻辑 把持 它归纳了译码器信号与斩波信号 CONTROL B C 发作 A B C B C D 1 2 3 4 四自信号 斩波信号 信号为 以及禁止信号 用意于禁止信号 低电平素 信号用来采用斩波信号的把持式样 斩波信号用意于 A D 信号均被强制为低电平 当它是低电平素 使能 而当它是高电平素 D 信号 ENABLE 禁止信号及 A 图 4-42 L297 电途道理图 图 4-43 L298 内部道理框图 L298 双 H 桥驱动器 可领受法式 TTL 逻辑电平信号 H 桥可接受 46V 电源电压 相电流可达 2.5A 可驱动电感性负载 它的逻辑电途利用 5V 电源 功放级利用 5~46V 电压 下桥臂晶体管的发射极 独立引出 并联正在沿途 以便接入电流取样电阻 酿成电撒布感信号 内部布局如图 4-43 所示 相应的禁止信号变为 图 4-44 为由 L297 L298 构成的双极性恒流斩波驱动电途 当某一相绕组电流上升 电流采样 电阻上的电压凌驾斩波把持电途 L297 中 Vref 引脚上的限流电平参考电压时 的驱动管又导通 如此就使电流安定正在条件值邻近 与 L298 好像的电途另有 TSR 公司的 3717 它是单 H 桥电途 SGS 公司的 SG3635 是单桥臂电途 IR 公司的 IR2130 则是三相桥电途 低电平 使驱动管截止 绕组电流降落 待绕组电流降落到必然值后 禁止信号变为高电平 相应 24 图 4-44 专用芯片组成的双极性斩波驱动电途 4-7 一 步进电动机的把持 步进电动机的把持与利用 因为步进电动性能直接领受数字量信号 以是被广博利用于数字把持体例中 较单纯的把持电 途是操纵极少数字逻辑单位构成 即采用硬件的式样 但要变动体例的把持功用 寻常都要从头设 计硬件电途 圆活性较差 以微型筹算机为中枢的筹算机把持体例为步进电动机的把持诱导了新的 途径 操纵筹算机的软件或软 硬件相集合的本领 能使体例的功用大大加强 同时也提升了体例 的圆活性和牢靠性 以步进电动机行动实践元件的数字把持体例 1 开环把持 有开环和闭环两种体式 步进电动机体例的苛重特色是能达成精准位移 精准定位 且无积蓄偏差 这是由于步进电动 机的运动受输入脉冲把持 其位移量是断续的 总的位移量苛峻等于输入的指令脉冲数或其均匀转 速苛峻正比于输入指令脉冲的频率 若能精确把持输入指令脉冲的数目或频率 就也许杀青精准的 地点或速率把持 无需体例的反应 酿成所谓的开环把持体例 蕴涵变频信号源 脉冲分派器 驱动电途及步进电动 步进电机的开环把持体例 机四部门构成 如图 4-45 所示 开环把持体例的精度 苛重取决于步距角的精度和负载景遇 由把持器 图 4-45 步进电动机开环把持道理框图 开环把持往往采用加减定位把持式样 由于步进电动机的启动频率要比连结运转频率小 以是 开环把持的脉冲指令频率 惟有小于电机的最大启动频率 电机才智凯旋启动 若电动机的处事频 25 率老是低于最高启动频率 当然不会失步 但没有富裕阐发电机的潜力 处事速率太低 为此 常 用加减速定位把持 电机开端以低于最高启动频率的某一频率启动 然后再慢慢提升频率 使电机 慢慢加快 抵达最高运转频率 电机高速转动 正在抵达尽头前 降频使电机减速 如此就可能既速 又稳地精确定位 如图 4-46 所示 因为步进电动机的电磁转矩受频率影响较大 以是负载的加减 速把持不行像一般电机那样 采用微机把持来达成 因为开环把持体例不必要反应元件 布局对比单纯 处事牢靠 本钱低 因此正在数字把持体例 中获得广博的利用 为了达成加减速的最佳把持 往往是分段安排加快转矩和加快年光 图 4-46 加减速定位进程 2 闭环把持体例 电机呼应把持指令后的实质运转境况 负载巨细蜕化一再的场面 如图 4-47 所示 提升体例的精度 把持体例是无法预测和看守的 正在 步进电动机很容易失步 使全部体例趋于失控 正在开环把持体例中 某些运转速率周围宽 加反应合键 防守失步 体例中 别的 对待高精度的把持体例 采用开环把持往往满意不了精度的条件 以是务必正在把持回途中增 组成闭环把持体例 与开环体例比拟众了一个由地点传感器构成的 反应合键 将地点传感器测出的负载实质地点与地点指令值比拟较 用对比信号举办把持 不单可 还也许解除地点偏差 闭环把持体例的精度与步进电动机相合 但苛重是取决于地点传感器的精度 正在数字地点随动 为了提升体例的处事速率和安定性 另有速率反应内环 图 4-47 步进电动机闭环体例道理框图 二 步进电动机的利用 26 步进电动机的利用非常广博 如呆滞加工 画图机 呆板人 筹算机的外部设置 自愿记实仪 外等等 它苛重用于工为难度大 条件的速率速 精度上等场面 越发是电力电子本事和微电子技 术的繁荣为步进电动机的利用诱导了空旷的前景 下面举几个实例单纯证实步进电动机的极少典范 利用 1 数控机床 数控机床是数字次序把持机床的简称 它具有通用性 圆活性及高度自愿化的特色 苛重合用 于加工零件精度条件高 体式对比庞大的坐蓐中 它的处事进程是 最初应遵照零件加工的条件和 加工的工序 编制加工次序 并将该次序送入微型筹算机中 筹算机遵照次序中的数据和指令举办 多量筹算和把持 然后遵照所得的结果向各个倾向的步进电动机发出相应的把持脉冲信号 使步进 电动机鼓动处事机构按加工的条件挨次杀青百般举动 如转速蜕化 正反转 起停等等 如此就能 自愿地加工出次序所条件的零件 统 正在开环体例的根本上 2 轴转动 所示 软磁盘驱动体例 使盘片正在盘套内转动 磁头安置正在磁头小车上 步进电动机通过传动机构驱动磁头小车 磁头转移一个磁道 如图 4-49 图 4-48 为数控机床方框图 图中实线所示的体例为开环把持系 再加上虚线所示的丈量装备 即组成闭环把持体例 软磁盘存贮器是一种非常轻易的外部音讯存贮装备 当软磁盘插入驱动器后 驱动电机鼓动主 步进电动机的步矩角变换成磁头的位移 步进电动机每行进一步 图 4-49 软磁盘驱动体例 图 4-48 数控机床方框图 1-步进电动机 2-磁头小车 3-磁头 4-软磁盘 3 电途 针式打印机 如 LQ-1600K 打印机 正在逻辑把持 CPU 和门阵列 的把持下 走纸步进电动机通过传动机构鼓动纸滚转动 每转一步使纸转移 寻常针式打印机的字车电机和走纸电机都采用步进电动机 必然的间隔 字车步进电动机可能加快或减速 使字车停正在大肆指定地点 或返回到打印肇始地点 字车电机的步进速率是由一单位年光内众个驱动脉冲所决断的 变动步进速率可发作差异的打印模 式中的字距 小 结 步进电动机是将把持脉冲信号变换为角位移或直线位移的一种微特电机 反映式步进电动机的 处事道理是作战正在磁力线力求通过磁阻最小的途径 发作磁阻转矩来驱动转子转动 输出的角位移 或线位移量与脉冲数成正比 转速与脉冲的频率成正比 转向取决于把持绕组中的通电按序 它能 遵照把持脉冲的条件 迅速启动 反转 制动和无级调速 平常处事时也许不失步 步距精度高 每步放手转动时具有自锁本事 以是 被广博利用于数字把持体例中作实践元件用 步进电动机每相绕组中的通电是脉冲式的 每输入一个把持脉冲信号 转子转过的角度称为步 距角 步距角的巨细由转子齿数和运转拍数所决断 因为统一台步进电动机既可用单相通电式样也 27 可用双相通电式样运转 以是它有两个步距角 90 时有最大静转矩 它是步进电 步进电动机静转矩与失调角间的联系称为矩角性格 正在θ= 动机的苛重机能目标之一 寻常扩大通电相数能提升它的数值 动态机能直接影响体例处事的牢靠性和迅速性 步距角越小 运转的安定性越好 惟有负载转 矩小于最大负载转矩 电机才智带负载作步进运转 运转拍数和矩角性格的波形对最大负载转矩有 很大影响 因为把持绕组中电感的影响 绕组中的电流不行突变 以致步进电动机的转矩随频率增 高而减小 正在动态时的苛重性格和机能目标有 启动矩频性格和运转矩频性格 启动频率和运转频 率 尽大概提升电机转矩 减小电机和负载的惯量 是改革动态机能的有用途径 寻常都装有呆滞阻尼器 当脉冲频率等于振荡频率的 1/K 时 惯性转子会爆发振荡以至失步 以是正在利用时应避免正在共 振频率下运转 为了消弱振荡形象 步进电动机除常用的反映式外另有永磁式和搀杂式步进电机 越发是搀杂式步进电机近几年发 展较速 它们的道理大致和反映式近似 所差异的是转子也有磁极 处事时两个磁动势联合用意正在 磁途上 步进电动机必要有一个特意电源来驱动 驱动电源对电机的运转机能有很大的影响 要改革运 行机能 务必从电机和电源两方面开头 按绕组中电流的流向分为单极性和双极性驱动两种 利用 时要采用能满意体例条件的电源驱动电动机 步进电动机体例有开环和闭环把持两种 日常用于高精度的场面 开环体例由于布局单纯 本钱低利用较众 闭环体例 思虑题与习题 1 2 向 3 何为反映式步进电动机的步距角 双六拍及单双十二拍通电式样下 八拍式样的一个通电按序 其每分钟的转速为众少 什么是反映式步进电动机的静安定区和初始安定平均地点 合 步进电动机的负载转矩小于最大静转矩时 联系 为什么 一台四相步进电动机 1 2 3 若单相通电时矩角性格为正弦波 其幅值为 Tmax 请问 两一致时通电时的最大静转矩 永诀作出单相及两相通电时的矩角性格 求四相八拍运转式样时的极限启动转矩 设步进电动机处事正在三相单三拍运转式样 如图 4-50 所示 28 怎样把持步进电动机输出的角位移或线位移量 何如确定步进电动机转速的巨细 步进电机有哪些珍贵的特色 何如变动步进电动机的转 与负载转矩巨细相合系吗 它与哪些要素相合 六相 12 极步进电动机 若正在单六拍 试问 转子齿数为众少 写出四相 步距角的电角度各为众少 其步距角 1.8°/0.9° 正在 A 相绕组测得电源频率为 400Hz 时 最大静转矩与哪些物理量有 为什么 有一台四相反映式步进电动机 并画出各相把持电压波形图 电性能否平常步进运转 反映式步进电动机的启动频率和运转频率为什么差异 连结运转频率和负载转矩有何如的 其通电按序为 A—B—C—A,相应的矩角性格 1 2 境况 指出理念空载时 B 相静安定区和动安定区 若步进电动机的负载转矩为 TL 阐明由 B 相通电变动为 C 相通电时 步进电动机的运动 并指出 B 相的静安定区和动安定区 图 4-50 三相单三拍运转矩角性格 10 11 扼要证实影响反映式步进电动机启动频率的苛重要素 一台三相反映式步进电动机 10 kg?m -5 2 步矩角 θs =3°/1.5° 已知它的最大静转矩为 0.685N?m 体例 总的转动惯量为 1.725 12 13 试求该电机的自正在振荡频率和周期 扼要证实步进电动机的低频共振形象 反映式步进电动机与搀杂式步进电动机正在用意道理上有什么一致和差异之处 29

版权声明:本文由宁津县刘营伍乡鑫万邦木工机械厂发布于公司简介,转载请注明出处:□步进电机详解