三相步进电动机.doc

第3章 步进电动机 本章的主要介绍步进电动机的工作原理、结构与控制方法。主要内容为： ? 步进电动机的工作原理 ? 反应式步进电动机的运行特性 ? 步进电动机主要性能指标 ? 驱动电源 ? 步进电动机的微处理器控制 重点掌握步进电动机的原理与运行特性，驱动电源组成和原理，了解步进电动机专用控制芯片，怎样利用微处理器对步进电动机进行控制。 随着计算机技术的发展，步进电动机在自动控制系统中已得到了广泛地的应用，例如数控机床、绘图机、计算机外围设备、自动记录仪表、钟表和数/模转换装置等。 步进电动机是一种数字电机，它受脉冲信号控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机。它由专用电源供给电脉冲，每输入一个脉冲，步进电动机就移进一步，所以称为步进电动机。又因其绕组上所加的电源是脉冲电压，有时也称它为脉冲电动机。 步进电动机受脉冲信号控制。它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比，所以电机的线速度或转速也与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低就可以在很大的范围内调节电机的转速，并能快速起动、制动和反转。由于步进电动机受脉冲控制，电动机的步距角和转速大小不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击和振动等影响，它仅与脉冲频率有关。它每转一周都有固定的步数，在不失步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。这些特点使它完全适用于数字控制的开环系统中作为伺服元件，并使整个系统大为简化而又运行可靠。当采用了速度和位置检测装置后，它也可以用于闭环系统中。 步进电动机种类繁多，按其运动形式分，有旋转式步进电动机和直线步进电动机两大类。按其工作原理又可分为反应式、永磁式和永磁感应子式（又称混合式）三类。 3.l 步进电动机的工作原理 3.1.1 反应式步进电动机的工作原理 反应式步进电动机不像传统交直流电动机那样依靠定、转子绕组电流所产生的磁场间的相互作用形成转矩与转速，它遵循磁通总是沿磁阻最小的路径闭合的原理，产生磁拉力形成转矩，即磁阻性质的转矩。所以反应式步进电动机也称为磁阻式步进电动机，图3-1 所示为一台三相反应式步进电动机的工作原理图。它的定子上有六个极，每个极上都装有控制绕组，每相对的两极组成一相。转子由四个均匀分布的齿组成，其上是没有绕组。当A相控制绕组通电时，因磁通要沿着磁阻最小的路径闭合，将使转子齿 1、3 和定子极 A - X对齐，如图 3-1a 所示。 当A相断电B相控制绕组通电时，转子将在空间逆时针转过 30o ，即步距角θs = 30o。转子齿 2、4 与定子极 B - Y对齐，如图 3-l b 所示。如再使 B相断电，C相控制绕组通电，转子又在空间逆时针转过θs= 30o，使转子齿 1、3 和定子极 C - Z对齐，如图 3-1c所示。如此循环往复，按 A - B - C - A 顺序通电，电动机便按一定的方向转动。电动机的转速取决于控制绕组与电源接通或开断的变化频率。若按 A - C - B - A 的顺序通电，则电机反向转动。控制绕组与电源的接通或断开，通常是由电子逻辑线路或微处理器来控制完成，具体内容将在第4节讲述。 3.1.2 运行方式 定子控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍。步进电动机按其通电方式可分为单拍运行方式；双拍运行方式；单、双拍运行方式。每一拍转过的机械角度我们称它为步距角，通常用θs表示。即使同一台步进电动机，如果运行方式不同其步距角也不相同。 1． 单拍通电运行方式 如图3-1按 A - B - C - A 顺序通电的通电方式称为三相单三拍。“单”是指每次只有一相控制绕组通电；“三拍”是指经过三次切换后控制绕组回到了原来的通电状态，完成了一个循环。对于图3-1的步进电动机，在三相单三拍通电运行方式中，步进电动机的步距角为θs = 30o。 2、 双拍通电运行方式 在实际使用中，单三拍通电运行方式由于在切换时一相控制绕组断电后而另一相控制绕组才开始通电，这种情况容易造成失步。此外，由单一控制绕组通电吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生振荡，故运行的稳定性较差，所以很少采用。通常将它改为“双三拍”通电运行方式，即按 AB - BC - CA - AB 的通电顺序，即每拍都有两个绕组同时通电，假设此时电机为正传，那么按 AC - CB - BA -AC 的通电顺序运行时电机则反转。在双三拍通电方式下步进电动机的转子位置如图3-2所示。当A、B两相同时通电时，转子齿的位置同时受到两个定子极的作用，只有A相极和B相极对转子齿所产生的磁拉力相等时转子才平衡，如图3-2 a所示。当B、C两相同时通电时，转子齿的位置同时受到两个定子极的作用，只有B相极和C相极对转子齿所产生的磁拉力相等时转子才平衡，如图3