步进电机详解.pdf

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1、第四章步进电动机4-1概述步进电动机steppingmotor是将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的一种特殊电机每输入一个电脉冲信号电机就转动一个角度它的运动形式是步进式的所以称为步进电动机又由于它输入的是脉冲电流所以也叫脉冲电动机步进电动机在不需要变换的情况下能直接将数字脉冲信号转换成角位移或线位移因此它很适合作为数字控制系统的伺服元件此外它还具有一系列的优点一是输出角位移量或线位移量与其输入的脉冲数成正比而转速或线速度与脉冲的频率成正比在负载能力范围内这些关系不受电压的大小负载的大小环境条件等外界各种因素的

2、干扰二是它每转一周都有固定的步数所以步进电动机在不失步的情况下运行其步距误差不会长期积累三是控制性能好它可以在开环系统中在很宽的范围内通过改变脉冲的频率来调节电机的转速并且能够快速启动制动和反转四是有些型式的步进电动机在停止供电的状态下还有定位转矩有些型式在停机后某些相绕组仍保持通电状态具有自锁能力不需要机械制动装置等当采用速度和位置检测装置后它可构成闭环控制系统计算机技术电力电子技术和微电子技术的发展给步进电动机的应用开辟了广阔的前景应用非常广泛如数控机床绘图机自动记录仪表遥控装置和航空系统等等都大量使用步进电动机

3、步进电动机的主要缺点是效率较低并且需要专用电源供给电脉冲信号带负载惯量的能力不强在运行中会出现共振和振荡问题步进电动机的种类很多主要有反应式永磁式和混合式近年来又发展有直线步进电动机和平面步进电动机等其中反应式步进电动机结构较简单应用比较普遍而且其他类型步进电动机的基本原理与它基本相似所以本章着重分析反应式步进电动机4-2反应式步进电动机的结构及工作原理一反应式步进电动机的结构反应式步进电动机的结构形式很多按定转子铁芯的段数分为单段式和多段式两种1单段式单段式是定转子为一段铁芯由于各相绕组沿圆周方向均匀排列所以又称为

4、径向分相式它是步进电动机中使用最多的一种结构形式如图4-1为三相反应式步进电动机的径向截面图定转子铁芯由硅钢片叠压而成定子磁极为凸极式磁极的极面上开有小齿定子上有三套控制绕组每一套有两个串联的集中控制绕组分别绕在径向相对的两个磁极上每套绕组叫一相三相绕组接成星形所以定子磁极数通常为相数的两倍即2p=2mp为极对数m为相数转子上没有绕组沿圆周也有均匀的小齿其齿距和定子磁极上小齿的齿距必须相等而且转子的齿数有一定的限制这种结构形式的优点是制造简便精度易于保证步距角可以做得较小容易得到较高的启动和运行频率其缺点是在电机的直

5、径较小而相数又较多时沿径向分相较为困1难消耗功率大断电时无定位转矩图4-1三相反应式步进电动机的结构2多段式多段式是定转子铁芯沿电机轴向按相数分成m段由于各相绕组沿着轴向分布所以又称为轴向分相式按其磁路的结构特点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多段式径向磁路步进电动机的结构如图4-2所示每一段的结构和单段式径向分相结构相似通常每一相绕组在一段定子铁芯的各个磁极上定子的磁极数从结构合理考虑决定最多可以和转子齿数相等定转子铁芯的圆周上都有齿形相近和齿距相同的均匀小齿转子齿数通常为定子极数的倍数定子铁

6、芯或转子铁芯每相邻两段沿圆周错开1/m齿距此外也可以在一段铁芯上放置两相或三相绕组定子铁芯或转子铁芯每相邻两段要错开相应的齿距这样可增加电机制造的灵活性图4-2多段式径向磁路反应式步进电动机1线圈2定子3转子多段式轴向磁路步进电动机的结构如图4-3所示每段定子铁芯为П字形在其中间放置环形控制绕组定转子铁芯上均有齿形相近和齿数相等的小齿定子铁芯或转子铁芯每相邻两段沿圆周错开1/m齿距多段式结构的共同特点是铁芯分段和错位装配工艺比较复杂精度不易保证特别对步距角较2小的电机更是困难但步距角可以做的很小启动和运行频率较高对轴

7、向磁路的结构定子空间利用率高环形控制绕组绕制方便转子的惯量较低图4-3多段式轴向磁路反应式步进电动机1线圈2定子3磁轭4转子5引出线二反应式步进电动机的工作原理反应式步进电动机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩而转动的所以也称为磁阻式步进电动机现以一个最简单的三相反应式步进电动机为例说明其工作原理图4-4是一台三相反应式步进电动机的原理图定子铁芯为凸极式共有三对六个磁极每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组转子用软磁性材料制成也是凸极结构只有四个齿齿宽等于定子的极靴宽下面通过几种基本的控制方式来说明其工

8、作原理图4-4三相反应式步进电动机的原理图1三相单三拍通电方式当A相控制绕组通电其余两相均不通电电机内建立以定子A相极为轴线的磁场由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点使转子齿13的轴线与定子A相极轴线对齐如图4-4a所示若A相控制绕组断电B相控制绕组通电时转子在反应转矩的作用下逆时针方向转过30°使转子齿24的轴线与定子B相极轴线对齐即转子走了