浙大《自动控制元件》三课堂笔记.docx

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浙大《自动控制元件》三课堂笔记

浙大《自动控制元件》第三章步进电动机课堂笔记

♦主要知识点掌握程度

掌握步进电动机的基本概念及其工作原理。

一、步进电动机

一种把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的微特电机。

在自动控制装置中作为执行元件。

每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，故又称脉冲电动机。

步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置。

二、步进电动机驱动控制系统组成

步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。

步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。

步进电机原理框图

三、步进电动机分类：

步进电动机分为机电式及磁电式两种基本类型。

机电式步进电动机由铁心、线圈、齿轮机构等组

成。

螺线管线圈通电时将产生磁力，推动其铁心心子运动，通过齿轮机构使输出轴转动一个角度，通过

抗旋转齿轮使输出转轴保持在新的工作位置；线圈再通电，转轴又转动一个角度，依次进行步进运动。

磁电式步进电动机主要有永磁式、反应式和永磁感应子式3种形式。

永磁式步进电动机由四相绕组

组成。

A相绕组通电时，转子磁钢将转向该相绕组所确定的磁场方向；A相断电、B相绕组通电时，就产

生一个新的磁场方向，这时，转子就转动一角度而位于新的磁场方向上，被激励相的顺序决定了转子运动方向。

永磁式步进电动机消耗功率较小，步矩角较大。

缺点是起动频率和运行频率较低。

反应式步进电动机在定、转子铁心的内外表面上设有按一定规律分布的相近齿槽，利用这两种齿槽

相对位置变化引起磁路磁阻的变化产生转矩。

这种步进电动机步矩角可做到1°〜15°甚至更小，精度容

易保证，起动和运行频率较高，但功耗较大，效率较低。

永磁感应子式步进电动机又称混合式步进电动机。

是永磁式步进电动机和反应式步进电动机两者的

结合，并兼有两者的优点。

转了借

四相反应式步进电机结构图

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風3-4水碓感应『•此步进电动机

四、步进电机的优点

直接实现数字控制，控制系统简单；

控制性能好；

输出转矩大，可直接驱动负载；

无接触式；

抗干扰能力强；

误差不长期积累；

具有自锁能力和保持转矩

五、步进电机的应用

主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。

如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。

步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用。

2向步讲

W3-1步进电动机在数控机床中的位置

六、步进电机的常用术语

＜一）步距角

只每给一个电脉冲信号电动机转子所转过的角度的理论值。

＜二）齿距角

相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。

＜三）矩角特性

矩角特性是指不改变各相绕组的通电状态，即一相或几相通以直流电流时，电磁转矩与失调角的关系。

＜四）失调角

失调角是转子偏离零位的角度。

＜五）零位或初始稳定平衡位置

只不改变绕组通电状态，转子在理想空载状态下的平衡位置。

＜六）最大静转矩

矩角特性上转矩最大值称为最大静转矩。

＜七）最大静转矩特性

绕组电流改变时，最大静转矩与相应电流的关系为最大静转矩特性。

＜八）精度

步进电机的精度有两种表示方法：

最大步距误差和最大步距累计误差

最大步距误差是指电动机在旋转一周内相邻两步之间最大步距和理想步距角的差值。

最大累计误差是指任意位置开始经过任意步之间，角位移误差的最大值。

（九）响应频率

在某一频率范围内步进电动机可以任意运动而不丢失一步，则这一最大频率称为响应频率。

通常以启动频率来作为衡量的指标。

启动频率是指在一定负载下直接启动而不失步的极限频率，也称为极限启动频率或突跳频率。

＜十）运行频率

只拖动一定负载使频率连续上升时，步进电机不失步运行的极限频率。

＜十一）启动矩频特性

给定的驱动条件下，负载惯量一定，启动频率与负载转矩之间的关系称为启动矩频特性，又称为牵入特性。

＜十二）运行频率特性

负载惯量不变，运行频率和负载转矩之间的关系称为运行矩频特性，又称为牵出特性。

＜十三）惯频特性

负载力矩一定时，频率和负载惯量之间的关系，分为启动惯频特性和运行惯频特性。

＜十四）单步响应

单步响应是指步进电机在带电不动的情况下，该变一次脉冲电压，转子由启动到停止的运行轨迹。

七、反应式步进电机的结构特点

1）单段式结构：

径向分相式

2）多段式结构：

轴向分相式

八、步进电动机的动态特性

＜一）单脉冲作用下运行：

空载状态和负载状态

＜二）最大负载转矩：

某种通电方式下，各相距角特性曲线的交点一曲线簇包罗线的最低点即为步进

电动机单步运行所能带动的最大负载转矩。

九、步进电动机驱动控制系统的基本组成

直流电源、脉冲发生器、脉冲分配器、功率放大器

十、步进电动机的驱动电路

单一电压型驱动电源

高低压切换型驱动电源

带连续电流检测的高低压切换型驱动电源

斩波恒流型驱动电源

调频调压型驱动电源

细分电路、平滑电路和自动升降频电路

十^一、步进电动机的静态特性

＜一）矩角特性

在同步电动机的传动控制中，定子上产生的电枢磁势FS和转子磁势Fr同步旋转，产生电

磁转矩T,磁势关系如图所示。

气隙中的合成磁势Fo为

转矩为

71—尽F,声in鶴

盍中d为功角.

同步电动机的步进运动与普通同步电动机的传动控制不同，不但要关心电动机的转速与转

矩，更要关心它的转子位置，和转矩。

对于步进同步电动机，需要特别关心的是定子磁动势FS

和转子磁动势Fr的夹角0,而不是普通同步电动机中人们所熟知的功角①。

在步进同步电动机

中夹角0是一个十分重要的参数，称之为矩角。

根据图2所示的矢量关系，可将式＜10）的转矩

方程改写为

与步进电动机的组合电磁铁特性十分相似，同步电动机由定子磁动势和转子磁动势相互吸引而产生转矩。

矩角不但决定转矩的大小，同时影响着步进运动的精度。

而且，矩角控制是一■种并级结构，即在控制位置的同时，相应地调整矩角，转矩和位置，具有同样的快速响应速度，使步进传动系统达到最佳的运行状态。

十二、步进电动机的动态特性

单脉冲下的运行

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图3-14负我忻况卜的单脉冲运1J

最大负载转矩：

在某种通电方式下，各相矩角特性曲线的交点，曲线簇包络线的最低点Temq即是步进电动机单步运

行时的最大负载转矩，称为极限启动转矩。

在实际运行过程中，必须有：

三相反应式步进电机

三相单三拍：

三相双三拍：

三相单双六拍：

十三、单脉冲作用下步进电动机的振荡现象

関3-步ilHtl劝机的口由孤躅

Tu

图3-17有阻尼作用的单步运行

十四、连续运行时步进电动机的动态特性

＜一）动稳定区和稳定裕度

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＜二）步进电机的起动过程和起动频率

用3J9步进电妙机的观曲过粗分所

＜三）起动矩频特性

在给定驱动电源条件下，负载转动惯量一定时，起动频率与负载转矩的关系称为起动矩频特性。

＜四）起动惯频特性

在给定驱动电源条件下，负载转矩不变时，起动频率与负载转动惯量的关系称为起动惯频特性。

卜五、步进电动机驱动控制系统的组成

驱动电源的组成

步进电动机的单一型驱动电源

单电压驱动，串联不同电阻时的特性

»3<28不同巾联见阻値时的电濂和矩频特性曲线

、步进电动机的选择和使用

根据系统的特点、精度要求、使用的场合等确定将要选择使用的步进电动机类型;

十六

<一）

<二）

根据系统容许的最小角误差确定步进电动机的精度等级；

＜三）根据系统负载的阻力矩；

＜四）根据系统负载需要的最大角速度或速度及传动比选择;

＜五）根据系统负载和传动装置的转动惯量来选择。