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1、任務(wù)5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2,廣東嶺南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 現(xiàn)代制造學(xué)院 機(jī)電一體化教研室,,知識(shí)目標(biāo)：,掌握混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理、特性；,任務(wù)5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2,能力目標(biāo)：,提高對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)的認(rèn)知。,混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理、特性。,重點(diǎn)難點(diǎn)：,一、混合式步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn) 二、混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 三、步進(jìn)電機(jī)的主要特性：,主要內(nèi)容,步進(jìn)電機(jī)的分類：,按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理可分為: 1.反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī); 2.永磁式步進(jìn)電機(jī); 3.混合式步進(jìn)電機(jī)； 從電流的極性上可分為: 1.單極性步進(jìn)電機(jī); 2.雙極性步進(jìn)電機(jī),一、混合式步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn),混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(Hybri

2、d，HB)，集反應(yīng)式和永磁式與一體，兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。 輸出轉(zhuǎn)矩較永磁式大（消耗功率反較?。?；步距角較永磁式小（一般為1.8度）；斷電時(shí)有定位轉(zhuǎn)矩；啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高；,混合式的優(yōu)點(diǎn)：步距角小、轉(zhuǎn)矩大、電流小、動(dòng)態(tài)性能好。 目前混合式步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛。,一、混合式步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn),二、混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理,轉(zhuǎn)子由兩段有齒環(huán)形轉(zhuǎn)子鐵心、裝在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部的環(huán)形磁鋼及軸承、軸組成。 將環(huán)形磁鋼沿軸向充磁，兩段轉(zhuǎn)子鐵心的一端呈N極性，另一端呈S極性，分別稱之為N段轉(zhuǎn)子和S段轉(zhuǎn)子。 轉(zhuǎn)子鐵心的徑向邊緣加工有小齒，一般為50個(gè)，齒距為7.2。 兩段轉(zhuǎn)子的小齒相互錯(cuò)開1/2齒距。,1. 兩相混

3、合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu),1. 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu),電機(jī)的定子上有八個(gè)繞有線圈的鐵心磁極； 八個(gè)線圈串接成A、B兩相繞組； 每個(gè)定子磁極邊緣有多個(gè)小齒，一般多為五或六齒。,6,4,2. 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)工作原理,定子上有四個(gè)繞有線圈的磁極（齒），相對(duì)磁極的線圈串聯(lián) 成一相，共組成兩相繞組。 由于同一相繞組兩個(gè)線圈繞線的方向相反，通過同一電流時(shí)所產(chǎn)生的磁場方向也相反（相對(duì)轉(zhuǎn)子而言）。 電流從相反方向流過同一相繞組產(chǎn)生的磁場方向也相反。 轉(zhuǎn)子由兩段永磁體組成，一段呈N極性，一段呈S極性。 每段永磁體有3個(gè)齒，齒距為120度，N極齒和S極齒彼此錯(cuò)開1/2齒距。,以每轉(zhuǎn)12步的模型電機(jī)為例,,線圈繞向?qū)?/p>

4、有誤,1）不通電狀態(tài),,在繞組不通電時(shí)，由于磁通總是沿磁阻最小的路徑通過， 磁通從N極性轉(zhuǎn)子經(jīng)定子極回到S極性轉(zhuǎn)子。 由于轉(zhuǎn)子磁場的吸引作用，當(dāng)外力力圖使軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)有一個(gè)反向力矩阻止這種轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為自鎖（detent)力矩。,,,2）單四拍工作方式,,,初始狀態(tài)，(上一周期)A相通電產(chǎn)生保持力矩； B相通電，定子磁場旋轉(zhuǎn)90度，吸引轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1/4齒距（30度）； /A 相/B相 A相通電,定子磁場各旋轉(zhuǎn)90度，各吸引轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1/4齒距（30度）； 4步一個(gè)循環(huán)后共轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距(120度)，12步后轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周。 每一次僅一相繞組通電，四拍一個(gè)循環(huán)，稱之為單四拍工作方式,3）雙四拍工作方式,,初

5、始狀態(tài)， A相、B相同時(shí)通電，由于兩個(gè)定子齒的吸引，轉(zhuǎn)子移動(dòng)1/8齒距15度，停在一個(gè)中間的位置； B/A相通電，定子磁場旋轉(zhuǎn)90度吸引轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1/4齒距(30度)； /A/B、/BA、AB各相通電，定子磁場各旋轉(zhuǎn)90度，各吸引轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1/4齒距30度； 4步一個(gè)循環(huán)后共轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距120度， 12步后轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周； 每一次兩相繞組通電，四拍一個(gè)循環(huán)，稱之為雙四拍工作方式。 因?yàn)閮蓚€(gè)線圈同時(shí)通電，產(chǎn)生的力矩比單四拍要大。,,,在單四拍工作方式基礎(chǔ)上，在每兩個(gè)單拍之間插入一個(gè)雙拍工作狀態(tài)，就成為單、雙八拍工作方式。 交替使一個(gè)線圈和兩個(gè)線圈通電，每一步轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1/8齒距即15度，經(jīng)過這8拍以后，

6、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距120度。 旋轉(zhuǎn)一周需24步。,4）單、雙八拍工作方式,單、雙八拍工作方式的缺點(diǎn)是產(chǎn)生“強(qiáng)、弱步”的現(xiàn)象，可利用的力矩被弱步力矩所限制，力矩的波動(dòng)較大。 為了消除“強(qiáng)、弱步”現(xiàn)象，并使電機(jī)按強(qiáng)步力矩輸出，可以在弱步時(shí)繞組通以兩倍的電流，對(duì)弱步力矩進(jìn)行補(bǔ)償。 優(yōu)點(diǎn)是步距角小，電機(jī)運(yùn)行將更平穩(wěn)。,4）單、雙八拍工作方式,5）微步距工作方式,在雙四拍工作方式中，當(dāng)兩相繞組通以相等的電流時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子停在一個(gè)中間的位置。如果兩相繞組電流不等，轉(zhuǎn)子位置將朝電流大的定子極方向偏移。 利用這個(gè)現(xiàn)象我們可使電機(jī)工作在微步距方式：將兩相繞組中的電流分別按正弦和余弦的輪廓呈階梯式變化。則每個(gè)整步距（

7、0最大值）分成若干微步距（也稱細(xì)分步距）。,,ib,4細(xì)分方式,8細(xì)分方式,歸納總結(jié),在整步工作方式中，當(dāng)兩相繞組的電流變化1個(gè)周期，走4步，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角；走（4X轉(zhuǎn)子齒數(shù)）步，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一圈。此時(shí)的步距角就是電機(jī)的標(biāo)稱值。 在微步距（細(xì)分）工作方式：當(dāng)兩相繞組的電流變化1個(gè)周期，要走（4X細(xì)分?jǐn)?shù)）步，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角；走（ 4X細(xì)分?jǐn)?shù)X轉(zhuǎn)子齒數(shù)）步，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一圈。 微步距（細(xì)分）方式的步距角更小，將使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。,,ib,一般稱單四拍和雙四拍工作方式為整步距方式；單、雙八拍工作方式為半步距方式。（可分別理解為1細(xì)分、2細(xì)分方式） 步進(jìn)電機(jī)中定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場的相互

8、作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩： 轉(zhuǎn)子磁勢(shì)是由轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的，它是一個(gè)常數(shù)。 所以當(dāng)定子線圈匝數(shù)、轉(zhuǎn)子磁鋼磁性能及定、轉(zhuǎn)子鐵心材料、尺寸已確定的情況下，電機(jī)產(chǎn)生的力矩由定子繞組電流決定。,6）實(shí)際電機(jī)的工作原理,,線圈1、5、3、7串聯(lián)組成A相繞組；線 圈2、6、4、8串聯(lián)組成B相繞組。 每相四個(gè)繞組的繞線方向不盡同，通電 后每個(gè)繞組所在定子磁極極性不盡同。 假定線圈1、5所在的磁極為N極，則線 圈3、7所在的磁極為S極。,6,4,定子磁極上有40個(gè)（或48個(gè)）齒，齒距為7.2 兩段轉(zhuǎn)子鐵心上各有50小齒，齒距為7.2，但兩段轉(zhuǎn)子的小齒相互錯(cuò)開1/2齒距 定子齒和轉(zhuǎn)子齒齒距相等。。,模型電機(jī)和實(shí)際電機(jī)的比較

9、,,模型電機(jī) 實(shí)際電機(jī) 轉(zhuǎn)子齒數(shù) 3 50 轉(zhuǎn)子齒距 120度 7.2度 整步 距 1/4齒距30度 1/4齒距1.8度 半步距 1/8齒距15度 1/8齒距0.9度 整步一周節(jié)拍數(shù) 12 200 半步一周節(jié)拍數(shù) 24 400,,轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的空間機(jī)械角度，即步距角為 =360/Z*N 其中 Z-轉(zhuǎn)子齒數(shù)，N-運(yùn)行拍數(shù)。 步進(jìn)電機(jī)每走一步，轉(zhuǎn)子實(shí)際的角位移與設(shè)計(jì)的步距角存在有步距誤差。連續(xù)走若干步時(shí)，上述誤差形成累積值。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一圈后，回至上一轉(zhuǎn)的穩(wěn)定位置，因此步進(jìn)電機(jī)步距的誤差不會(huì)長期積累。 步

10、進(jìn)電機(jī)步距的積累誤差，是指一轉(zhuǎn)范圍內(nèi)步距積累誤差的最大值，步距誤差和積累誤差通常用度、分或者步距角的百分比表示。影響步距誤差和積累誤差的主要因素有: 齒與磁極的分度精度；鐵心迭壓及裝配精度；各相矩角特性之間差別的大??；氣隙的不均勻程度等。,三、 步進(jìn)電機(jī)的主要特性：,1、 步距角和步距誤差：,所謂靜態(tài)是指電機(jī)不改變通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的 工作狀態(tài)?？蛰d時(shí)，步進(jìn)電杌某相通以直流電流時(shí)，該相對(duì) 應(yīng)的定、轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊，這時(shí)轉(zhuǎn)子無轉(zhuǎn)矩輸出。如在電機(jī)軸上 加一順時(shí)針方向的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子則按順時(shí)針方向 轉(zhuǎn)過一個(gè)小角度，稱為失調(diào)角,這時(shí)轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩T與負(fù)載 轉(zhuǎn)矩相等。矩角特性是描述步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)，電磁

11、轉(zhuǎn)矩與失 調(diào)角之間關(guān)系的曲線，或稱為靜轉(zhuǎn)矩特性。,,,,T,,,,步進(jìn)電機(jī)矩角特性,,,2、靜態(tài)矩角特性和最大靜轉(zhuǎn)矩特性,矩頻特性是用來描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn) 矩寫連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系曲線。矩頻特性曲線上每一頻 率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩除了和步進(jìn)電機(jī)結(jié) 構(gòu)及材料有關(guān)外，還寫步進(jìn)電機(jī)繞組連接、驅(qū)動(dòng)電路、驅(qū)動(dòng) 電壓有密切的關(guān)系。下圖是混合式步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)的典 型的矩頻特性曲線。,,步進(jìn)電機(jī)矩頻特性,3、步進(jìn)電機(jī)矩頻特性：,6,4,4、測(cè)定步進(jìn)電機(jī)的空載起動(dòng)頻率:,拆去光電編碼器,讓步進(jìn)電機(jī)空載,在步進(jìn)電機(jī)軸伸處作一標(biāo)記,由世紀(jì)星設(shè)置步進(jìn)電機(jī)整數(shù)轉(zhuǎn)的位移(例如1...轉(zhuǎn)脈

12、沖數(shù)/轉(zhuǎn))和速度,且加減速時(shí)間常數(shù)也設(shè)置為零.步進(jìn)電機(jī)處于鎖定狀態(tài)下,執(zhí)行上述命令,步進(jìn)電機(jī)突然起動(dòng)并突然停止,從軸伸標(biāo)記判斷步進(jìn)電機(jī)是否失步.若起動(dòng)成功,則提高速度參數(shù)再測(cè)試,直至某一臨界速度,并由此速度換算為步數(shù)/秒,即為電機(jī)的空載起動(dòng)頻率.,,5、啟動(dòng)慣頻特性,在負(fù)載轉(zhuǎn)矩ML=0的條件下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動(dòng)，不丟步地進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)所允許的最高啟動(dòng)頻率，稱為啟動(dòng)頻率或突跳頻率，超過此值就不能正常啟動(dòng)。啟動(dòng)頻率與機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)，包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，加上其它運(yùn)動(dòng)部件折算至步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。下圖表示啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系。隨著負(fù)載慣量的增加，起動(dòng)頻率下降。若同時(shí)存在負(fù)載轉(zhuǎn)矩ML；則起動(dòng)頻率將進(jìn)一步降低。在實(shí)際應(yīng)用中，由于ML的存在，可采用的啟動(dòng)頻率要比慣頻特性還要低。,小結(jié)：,本單元主要學(xué)習(xí)了 1、混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 2、步進(jìn)電機(jī)的主要特性： 希望通過實(shí)訓(xùn)課的練習(xí),進(jìn)一步熟悉和掌握。,謝謝!,