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机电传动控制 第五章 控制电机 步进电动机 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时，其转轴就转过一个固定的角度（步距角），顺序连续地发给脉冲，则电机轴一步接一步地运转。 步进电动机特点： 步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，运行中无累积误差。 步进电机能方便地实现正、反转和调速、定位控制。特别是不需位置传感器或速度传感器就可以在开环控制下精确定位或同步运行。 步进电动机的缺点是不能达到很高的转速（一般每分钟小于1000到2000转）。存在低频振荡、失步和高频失步等缺陷。另外，步进电机自身的噪声和振动较大。 步进电动机的分类 步进电动机的种类很多，按工作原理分，有反应式（Variable-reluctance）、永磁式（Permanent-magnet）、混合式（Hybrid）三种。按输出转矩大小分，有快速步进电机、功率步进电机。按励磁相数分有二、三、四、五、六、八相等。按定子排列还可分为多段式(轴向式)和单段式(径向式)。 5.1 步进电机 转子部分由转子铁心、转轴等组成。转子铁心是由硅钢片或软磁材料叠压而成的齿形铁心。图中转子上有4个凸齿。 若对励磁绕组以一定方式通以直流励磁电流，则转子以相应的方式转动。其转动原理其实就是电磁铁的工作原理 。 5.1 步进电机 比如，给A相绕组通电时，转子位置如图，转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。 基本工作原理 通电方式 对于上述三相反应式步进电机，其运行方式有单三拍（全步，Full Step）、单双六拍（半步,Half Step）及双三拍等通电方式。“单”、“双”、“拍”的意思是：“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相通电；而从一种通电状态转换到另一种通电状态就叫做一“拍”。 5.1 步进电机 指对三相绕组单独轮流通电，三次换相（三拍）完成一个通电循环。通电顺序为A—B－Ｃ－Ａ时，转子按顺时针方向一步一步转动。通电顺序改为A－Ｃ－Ｂ－Ａ，时，转子按逆时针方向一步一步转动。可见，欲改变步进电机的旋转方向，则只要改变通电顺序即可。 电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距角（此例中转子有四个齿，则齿距角为90° ） 电流每换接一次转子前进一个角度称为步距角。此例中电流换接三次走完一个齿距角，则步距角为30° 5.1 步进电机 按A-AB-B-BC-C-CA-A或A-CA-C-BC-B-AB-A相序循环通电。同样，通电顺序改变时，旋转方向改变。而电流换接次数多了一倍，步子走得更细了，步距角为15° 5.1 步进电机 按AB-BC-CA-AB或AC-CA-BC-AC相序循环通电。步距角与三相单三拍工作方式相同也30°，运行稳定性较前者好。 小步距角步进电机 小步距角步进电动机结构特点：如图所示，定子的内园和转子外园均有齿和槽。定子、转子的齿宽和齿距相等。定子极面小齿和转子上的小齿位置符合下列规律：当A相的定子齿和转子齿对齐时(如图所对应位置)，B相的定子齿应相对于转子齿顺时针方向错开1/3齿距，而C相的定子齿又应相对于转子齿顺时针方向错开2/3齿距。也就是，当某一相磁极下定子与转子的齿相对时，下一相磁极下定子与转子齿的位置则刚好错开t/m、2t/m 、3t/m …依此类推（ t——齿距；m——相数）。 小步距角步进电机 小步距角步进电机 小步距角步进电机 1.矩角特性 反映步进电动机的转矩依存偏转角的变化关系， T=f(θe) 。 ——偏转角θe是指步进电动机在负载的作用下，转子齿偏离平衡位置的角度。 5.1 步进电动机 是指启动频率与传动系统转动惯量之间的关系。 启动频率指步进电动机由静止状态突然启动、不失步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率。 转动惯量越小，启动频率越高。步进电动机的拍数越多，步距角越小，负载越小，启动频率就越高。 最大转矩越大，电磁力矩越大，启动频率越高。 5.1 步进电动机 步进电机不失步运行时的最高脉冲频率称为连续运行频率。启动频率远低于运行频率。 步进电动机的转矩与运行频率的关系为运行频率特性。随着运行频率增高，负载能力变差。 绕组电感和驱动电源电压对运行频率的上限影响很大。 5.1 步进电动机 5.2 直流伺服电动机