机器人驱动与运动控制 课件 第8章 步进电机及其驱动控制技术.pptx

第8章步进电机及其驱动控制技术;

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，又称为脉冲电机。在非超载的情况下，步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。;

8.1步进电机的结构和分类;

8.1.1反应式步进电机

反应式步进电机亦称为磁阻式步进电机，是目前应用最广泛的一种步进电机。它的定子铁芯均由硅钢片叠压制成，定子上有多相绕组，利用磁导的变化产生转矩。反应式步进电机的相数一般为三、四、五、六相。按照绕组排列方式的不同，反应式步进电机可分为单段反应式步进电机和多段反应式步进电机。;

1.单段反应式步进电机

单段反应式步进电机又称为径向分相式步进电机，它是目前步进电机中使用最多的一种，其结构如图8-1所示。定子绕组的磁极对数p通常为相数m的两倍，即p=2m。每个磁极上都装有控制绕组，并接成m相。在定子磁极的极面上开有小齿，转子沿圆周也有均匀分布的小齿，它们的齿形和齿距完全相同。;

单段反应式步进电机的优点是制造简便，精度易于保证，步距角(转子每步转过的机械角度称为步距角)可以做得较小，容易得到较高的启动频率和运行频率(启动频率是利用变频器控制电机调速的频率，运行频率是步进电机在持续运行情况下的最大频率)；其缺点是在电机的直径较小而相数又较多时，沿径向分相较为困难。此外，电机消耗的功率较大，断电时无定位转矩。;;

2.多段反应式步进电机

多段反应式步进电机是指定子铁芯沿电机轴向按相数分成m段的反应式步电机。由于各相绕组沿着轴向分布，因此多段反应式步进电机又称为轴向分相式步进电机。多段反应式步进电机磁路的结构有两种：一种是主磁路仍为径向，另一种是主磁路包含有轴向部分。所以按其磁路结构的不同，多段反应式步进电机又可分为轴向磁路多段反应式步进电机和径向磁路多段反应式步进电机两种。;

轴向磁路多段反应式步进电机的结构如图8-2所示。定、转子铁芯均沿电机轴向按相数m分段，每一组定子铁芯中间放置一相环形的控???绕组；定、转子圆周上冲有齿形相近和齿数相同的均匀分布的小齿槽；定子铁芯(或转子铁芯)每相邻两段错开1/m齿距。这种结构使电机的定子空间利用率较高，环形控制绕组绕制方便，转子的惯量较小，步距角也可以做得较小，因此电机的启动频率和运行频率较高。但制造时铁芯分段和错位工艺复杂，精度不易保证。;;

径向磁路多段反应式步进电机的结构如图8-3所示。;

8.1.2永磁式步进电机

与反应式步进电机一样，永磁式步进电机的定子铁芯也由硅钢片叠压而成，磁极上也套有线圈并将它们连接组成二相或多相绕组。与反应式步进电机不同的是，永磁式步进电机的定子磁极为凸极，不开小齿，其转子为凸极式星形磁钢。永磁步进电机转子的极数与每相定子绕组的极数相同。

图8-4中所示的是一种典型的永磁式步进电机结构示意图。该类永磁式步进电机的定子具有二相二对极的绕组(AO、BO)，转子为二对极的磁钢。;;

8.1.3混合式步进电机

混合式步进电机的典型结构如图8-5所示。混合式步进电机的定子结构与反应式步进电机的定子结构基本相同，即分成若干极，极上有小齿及集中式绕组。转子由环形磁钢及多段铁芯组成，环形磁钢在转子的中部，轴向充磁，铁芯分别装在磁钢的两端，转子铁芯上也有如反应式步进电机那样的小齿，但磁钢两端铁芯上的小齿相互错开半个齿距。定、转子小齿的齿距通常相同。;;

8.2步进电机的运行原理;

图8-6是一台三相反应式步进电机的原理图。;

8.2.1三相单三拍

当A相绕组通电时，B相和C相都不通电，此时仅有A相定子极产生磁场。由于磁场具有沿着磁阻最小路径“流过”的特点，因此转子齿1和齿3的轴线与定子A相绕组的磁极轴线对齐，如图8-6(a)所示。此时转子只受径向力而无切向力，故使得转子停在此位置形成自锁。如果此时将A相断电，B相通电，使得仅有B相定子极产生磁场，则转子将沿顺时针方向转过30°，使转子齿2和齿4的轴线与定子B相绕组的磁极轴线对齐，即转子走了一步，如图8-6(b)所示。;

将B相断电，仅将C相通电，转子再按顺时针方向转过30°，转子齿1和齿3的轴线与C相绕组的磁极轴线对齐，如图8-6(c)所示。如此按A→B→C→A→…顺序不断将各相绕组通电和断电，转子就会一步一步地按顺时针方向转动，相应的电机的转速取决于绕组通电和断电的频率(即输入脉冲的频率)，旋转方向取决于绕组轮流通电的顺序。若电机通电次序改为A→C→B→A→…，则通过上述方法可知电机将按逆时针方向旋转。;

上述的控制方式称为三相单三拍。“三相”指步进电机具有三相绕组；“单”指每次只有一相绕组通电；绕组每改变一次通电方式称为一拍，“三拍”指三次轮流通电为一个循环