模塊9步進(jìn)電動(dòng)機(jī)專題9.1概述

教學(xué)目標(biāo)1）了解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及作用；2）掌握步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式可分為：反應(yīng)式永磁式混合式（感應(yīng)子式）

反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒(méi)有繞組。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，步距角可以做得很小，但動(dòng)態(tài)性能較差。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。其輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好。轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同，所以步距角一般較大，需要供給正負(fù)脈沖。混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，其輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

專題9.2反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理教學(xué)目標(biāo)1）了解反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)；2）理解反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理和步矩角的計(jì)算。9.2.1反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)（a）Ｕ相通電情況（b）Ｖ相通電情況（c）Ｗ相通電情況圖9-1三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理圖

三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。在定子上有三對(duì)磁極，每對(duì)磁極上繞有一相控制繞組(勵(lì)磁繞組)。勵(lì)磁繞組分為三相，分別為U、V、W三相繞組。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成，在轉(zhuǎn)子上均勻分布四個(gè)凸極，極上不裝繞組，轉(zhuǎn)子的凸極也稱為轉(zhuǎn)子的齒。其結(jié)構(gòu)如圖9-1所示。9.2.2反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)U相通電，V相和W相不通電時(shí)，由于U相繞組產(chǎn)生的磁通要經(jīng)過(guò)磁阻最小的路徑形成閉合磁路，這樣使轉(zhuǎn)子齒1、3和定子的U相對(duì)齊，如圖9-1（a）所示。當(dāng)U相斷電，改為V相通電時(shí)，磁通也要經(jīng)過(guò)磁阻最小的路徑形成閉合磁路，這樣轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒2、4與V相對(duì)齊，轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過(guò)的角度為，如圖9-1（b）所示。當(dāng)V相改為W相通電時(shí)，同樣可使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)空間角度，如圖9-1（c）。若按照U-V-W-U的通電順序重復(fù)下去，則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子將按一定速度沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于三相控制繞組的通、斷電源的頻率。當(dāng)按照U-W-V-U順序通電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)⒏臑轫槙r(shí)針。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在控制過(guò)程中,定子繞組每改變一次通電方式,稱為一拍。在上面的通電控制方式中，由于每次只有一相控制繞組通電，稱為三相單三拍控制方式。

在三相單、雙六拍工作方式中，控制繞組通電順序?yàn)閁-UV-V-VW-W-WU-U（轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)）或U-UW-W-WV-V-VU-U（轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)）。如圖9-2所示。（a）U相通電（b）UV相通電（c）V相通電（d）VW相通電圖9-2三相單、雙六拍控制方式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理圖在三相雙三拍控制方式中，控制繞組的通電順序?yàn)閁V-VW-WU-UV或UW-WV-VU-UW。如圖9-3所示。（a）UV相通電（b）VW相通電圖9-3三相雙三拍控制方式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理圖步進(jìn)電機(jī)的步距角：

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每改變一次通電狀態(tài)稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的電角度。

從圖9-1可以看出三相單三拍的步距角為三相單、雙六拍的步距角為三相雙三拍的步距角為圖9-4小步距三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角計(jì)算公式為

式(9-1)小步距三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過(guò)下式計(jì)算：

式(9-2)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每秒的拍數(shù)（或每秒的步數(shù)），稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電脈沖頻率。專題9.3其他型式的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)教學(xué)目標(biāo)1）了解永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理；2）了解混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。9.3.1永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)圖9-5永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是：

（1）步距角大，例如15°、22.5°、45°、90°等。（2）相數(shù)大多為二相或四相。（3）啟動(dòng)頻率較低。（4）控制功率小，驅(qū)動(dòng)器電壓一般為12V或24V,電流瀕于2A。（5）斷電時(shí)具有一定的保持轉(zhuǎn)矩。9.3.2混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1.感應(yīng)子式（混合式）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)感應(yīng)子式與傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子極磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。感應(yīng)子式某種程度上可以看作是低速同步的電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動(dòng)），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。例如：四相，八相運(yùn)行完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式。2.混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)（1）具有磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距小，運(yùn)行頻率高的特點(diǎn)。（2）具有永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)消耗功率小的優(yōu)點(diǎn)，是目前發(fā)展較快的一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。專題9.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源教學(xué)目標(biāo)1）了解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的組成；2）理解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的方式及各種驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)。9.4.1驅(qū)動(dòng)電源的組成

步進(jìn)電機(jī)的控制電源一般由脈沖信號(hào)發(fā)生電路、脈沖分配電路和功率放大電路等部分組成。脈沖信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率信號(hào)供給脈沖分配電路，脈沖分配電路完成步進(jìn)電機(jī)控制的各相脈沖信號(hào)，功率放大電路對(duì)脈沖分配回路輸出的控制信號(hào)進(jìn)行放大驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。脈沖分配器有多種形式，早期的有環(huán)行分配器，現(xiàn)在逐步被單片機(jī)所取代。功率放大電路對(duì)步進(jìn)電機(jī)的性能有十分重要的作用，功率放大電路有單電壓、高低電壓、斬波型、細(xì)分型和集成電路型等多種形式。9.4.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的典型驅(qū)動(dòng)方式1.單電壓驅(qū)動(dòng)2.雙電壓驅(qū)動(dòng)3.斬波驅(qū)動(dòng)4.細(xì)分驅(qū)動(dòng)5.集成電路驅(qū)動(dòng)專題9.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制和應(yīng)用教學(xué)目標(biāo)1）了解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制流程圖；2）了解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制流程圖。9.5.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制步進(jìn)電機(jī)的控制方式主要有開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。（1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)精確位移、精確定位，且無(wú)積累誤差。這是因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)受輸入脈沖控制，其位移量是斷續(xù)的，總的位移量嚴(yán)格等于輸入的指令脈沖數(shù)或其平均轉(zhuǎn)速嚴(yán)格正比于輸入指令脈沖的頻率，若能準(zhǔn)確控制輸入指令脈沖的數(shù)量或頻率，就能夠完成精確的位置或速度控制，無(wú)需系統(tǒng)的反饋，形成開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，圖9-12即為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)由控制控制器、脈沖分配器、驅(qū)動(dòng)電路及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)四部分組成。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的精度，主要取決于步矩角的精度和負(fù)載狀況。由于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)不需要反饋元件，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低。在數(shù)字控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。圖9-12步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制圖9-12步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制（2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，電機(jī)響應(yīng)控制指令后的實(shí)際運(yùn)行情況，控制系統(tǒng)是無(wú)法預(yù)測(cè)和監(jiān)視的。在某些運(yùn)行速度范圍寬、負(fù)載大小變化頻繁的場(chǎng)合，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)很容易失步，使整個(gè)系統(tǒng)趨于失控。另外，對(duì)于高精度的控制系統(tǒng)，采用開(kāi)環(huán)控制往往滿足不了精度的要求。因此在控制回路中增加反饋環(huán)節(jié)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖9-13所示。

圖9-13步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制專題9.6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用、使用與故障診斷教學(xué)目標(biāo)1）了解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各種故障及其特點(diǎn)；2）理解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的故障解決方法。9.6.1設(shè)備、儀表、工具

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、軸承拉具、活動(dòng)扳手、錘子紫銅棒、常用電工工具、萬(wàn)用電表、兆歐表等。9.6.2相關(guān)訓(xùn)練1.繞組的連接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各種繞組沿圓周是均勻分布的，每相繞組有兩個(gè)線圈，分別繞在相對(duì)的兩個(gè)鐵心上。按繞組連接方式的不同，磁極的極性可能出現(xiàn)兩種情況：一種是半數(shù)相鄰極為N極性，另外半數(shù)相鄰磁極S極性；另一種是磁極的極性分布是N和S極間隔排列。2.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用（1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩要選的足夠大，以便帶動(dòng)負(fù)載，減小“丟步”。（2）選擇合適的步距角。（3）選擇合適的精度。精度是指最大步距誤差或最大積累誤差，直接用機(jī)械角度或步距的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。最大積累誤差是指從任意位置開(kāi)始，經(jīng)過(guò)任意步之后，角位移誤差的最大值。（4）根據(jù)編輯程序的需要，選擇脈沖信號(hào)的頻率。頻率選定后，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的工作速度也就決定了。（5）三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩相通電時(shí)的最大靜轉(zhuǎn)矩值與單相通電時(shí)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩值是相等的，不能依靠增加通電相數(shù)來(lái)增加其最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。而對(duì)多于三相的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如四相、六相的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可采用多相