《机电传动和控制》.docVIP

机电传动与控制辅导资料十五 主 题：课件第9章 步进电动机传动控制系统 学习时间：2012年1月9日－1月15日 内 容： 我们这周主要学习课件第9章信号处理初步第1-3节的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深对相关知识的理解。 一、学习要求 1. 了解工作原理； 了解重点： 重点：难点： 二、主要内容 9.1 步进电动机 步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。 1）步进电动机的结构与工作原理 （1）结构特点 步进电动机和一般旋转电动机一样，分为定子和转子两大部分。图13.2为三相反应式步进电动机的结构示意图。定子有六个磁极，每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组。转子上装有四个凸齿。 （2）工作原理 ①基本工作原理 图13.2三相反应式步进 步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作 电动机的结构示意图 原理，如图13.3所示。设A相绕组先通电，B相和C相不通电，在电磁作用下，转子齿1、齿3被吸引到A下，此时，转子转矩为零，自锁，B、C两相的定子齿和转子齿在不同方向各错开30度。当通电顺序为A-B-C-A时，转子便按顺时针方向一步一步转动。每换接一次，转子就转过一个步距角。电流换接三次，磁场旋转一周，转子转过一个齿距（此例中转子有四个齿时齿距为90度）。 欲改变旋转方向，则只要改变通电顺序即可。 图13.3 三相单三拍通电方式时转子的位置 （a）A相通电 （b）B相通电 （c）C相通电 ②通电方式 三相步进电动机一般有单三拍、单双六拍及双三拍等通电方式。单是指每次切换前后只有一相绕组通电，双就是指每次有两相绕组通电，而从一种通电状态转换到另一种通电状态就叫做一“拍”。 单相轮流（三相单三拍）通电方式，如图13.3和图13.4所示，这种方式的通电顺序为A-B-C-A，每次只有一相控制绕组通电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳定性较差。另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕组开始通电，容易造成失步，实际很少采用。 双相轮流（三相双三拍）通电方式，如图13.2所示，通电顺序为AB-BC-CA-AB。这种通电方式，其转子受到的感应力矩大，静态误差小，定为精度高，工作稳定，不易失步。 单双相轮流（三相单双六拍）通电方式，通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A。具有双三拍的特点。 图13.5 步进电动机的通电方式 （a）A相通电 （b）A、B相通电 （c）B相通电 （d）B、C相通电 2）小步距角步进电动机 图13.6所示是一个实用的小步距角步进电动机结构。定子上有三对磁极，分别绕有三相绕组，当定子绕组按A-B-C-A顺序轮流通电时，转子就沿顺时针方向一步一步地转动，各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。 设转子的齿数为Z，则齿距为 （13.1） 步距角的计算公式为 （13.2） 式中，K—状态系数（单三拍、双三拍时，K=1；单双六拍时，K=2）。 图13.6 三相反应式小步距角步进电动机结构 由式（13.2）看出，步进电动机的转子齿数和定子相数（或运行拍数）愈多，步距角就愈小，控制也就越准确。 如果电脉冲的频率为f（通电频率），步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为 （13.3） 3）步进电动机的分类 （1）按步进电动机的工作原理分 ①激磁式（电磁式）。电机的定子转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动。 ②反应式（磁阻式）。转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动。 ③永磁式。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。 ④混合式（永磁感应式）。永磁感应式电机具有驱动电流小、效率高、过载能力强等优点，是一种很有发展前途的步进电动机。 （2）按步进电动机输出转矩大小分 ①快速步进电动机连续工作频率高，输出转矩小。 功率步进电动机输出转矩比较大。可直接驱动机床移动部件。 4）步进电动机的主要特性与性能指标 （1）步进电动机的主要特性 ①矩角特性 图13.9 步进电动机的矩角特性 矩角特性反映了步进电动机电磁转矩T随偏转角的变化关系。如图13.9所示为矩角特性曲线，图中的是电角度。从图看出，当时，转矩T达到最大，称为最大静转矩。步进电动机的负载转矩必须小于最大静转矩，否则，带不动负载。为了能稳定运行，负载转矩只能是最大静转矩的30%～50%。因此，这一特性反映了步进电动机带负 载的能力，是步进电动