运动控制 步进电机运动控制步进电机 步进电机.ppt

运动控制 北京邮电大学自动化学院 叶 平 Email: yeping@bupt.edu.cn Tel: 010步进电机 反应式步进电机的结构 反应式步进电机主要由两部分构成：定子和转子。定转子铁心均由硅钢片叠压而成，其上分别有六个、四个磁极。 反应式步进电机工作原理 按通电方式可分为（也称运行方式） 三相单三拍 三相单、双六拍 三相双三拍 “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 三相单三拍 A 相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。 即使转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，吸引转子，力图使通电磁路的磁阻最小（磁导率最大），转子发生转动，直到定转子的齿对齐，停止转动。 三相单、双六拍 三相绕组的通电顺序为： A?AB?B?BC?C?CA?A 共六拍。 A、B相同时通电 BB 磁场对 2、4 齿有磁拉力，使转子顺时针方向转动。 AA磁场继续对1、3齿有磁拉力。 转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了15°。 B相通电 转子2、4齿和B相对齐，又转了15?。 三相单、双六拍步进电机每个循环周期分为六拍；每拍转子转过15?（步距角），一个通电循环周期(六拍)转子转过90? (齿距角)；该运行方式下步距角更小，因而更适用于需要精确定位的控制系统中。 结论：从上面两种运行方式可看出，错齿是促使步进电机旋转的根本原因。当某相通电，相应的齿对齐，迫使电机旋转一个步距角，未通电的各相的齿出现了新的错位。改变通电的顺序和通电的相数，可组合出其它的运行方式。 三相双三拍 三相绕组的通电顺序为： AB ? BC ? CA ? AB 共三拍。 三相单三拍三相单、双六拍三相双三拍 小步距角的步进电机 实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步距角越小，机械加工的精度越高。 单三拍通电工作方式 （1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对齐。 反应式步进电机的静态特性 矩角特性 最大静转矩 矩角特性族 矩角特性 静止状态 初始稳定平衡位置 静稳定区 机械角度 齿距角 电角度 2π 磁路变化一个周期 静止状态 初始稳定平衡位置 失调角 静转矩 矩角特性 静转矩与转子失调角的关系 矩角特性曲线 静转矩 最大静转矩 静稳定区 稳定平衡点 矩角特性族 矩角特性族 步进电机的动态特性 动稳定区 最大负载能力 转子振荡、失步 脉冲频率对电机工作的影响 矩频特性 连续运行频率、起动频率 动稳定区 稳定裕度 最大负载能力 最大负载转矩与最大静转矩的关系： 步进电机的动态特性 动稳定区 最大负载能力 转子振荡、失步 脉冲频率对电机工作的影响 矩频特性 连续运行频率、起动频率 转子振荡 脉冲频率对电机工作的影响 频率极低时的连续步进运行 频率很低时的低频共振 频率很高时的连续运行 频率极低时的连续步进运行 脉冲持续时间很长，大于转子的衰减振荡的时间。 频率很高时的连续运行 脉冲间隔时间很短； 电机转子尚未达到第一次振荡周期的幅值，甚至还没有达到新的稳定平衡位置，下一个脉冲就到来； 电机的运行状态由步进运行变成连续平滑的转动，转速也比较的稳定。 矩频特性 电磁转矩与脉冲频率的关系称为步进电机的矩频特性。 失步 转子的速度慢于旋转磁场的速度 例如：在起动时，如果脉冲频率较高，由于电机来不及获得足够的能量，使得转子无法跟上旋转磁场的速度，引起失步。因此，超过步进电机的起动频率时，肯定会造成失步。 转子的速度大于旋转磁场的速度 主要发生在电机制动和突然换向时，由于转子具有较大的能量，产生严重的过冲现象，引起失步。 连续运行频率和起动频率 连续运行频率：在一定负载转矩下，不失步连续运行的最高频率称为步进电机的连续运行频率。 起动频率：在一定负载转矩下，不失步的正常起动所能加的最高控制频率称为步进电机的起动频率。 其他型式步进电机 永磁式步进电动机 二相双四拍 定子绕组按AB—B(-A)—(-A)(-B)—(-B)A—AB的次序通电，转子将顺时针方向转动。 永磁式步进电机的特点是： 步距角大，起动和运行频率低，需正负电源供电。但所需控制功率小，效率高。 混合式步进电机 反应式步进电机小步距角的特点 永磁式步进电机的高效率、绕组电感比较小的特点 十分流行 定子A相通入负电流，1、3极的极性分别为N和S，这时转子处于稳定平衡位置。此时B相2、4极上的小齿与转子齿都错开1/4齿距。 A相断开负电流，B相输入负电流，定子极2、4分别呈N和S，其下的所有转子齿均受到向右的电磁转矩作用。 单四拍 双四拍 单、双八拍 步进电机