1、第四章 小功率同步電動機(jī)4.1 同步電動機(jī)的構(gòu)造和分類 同步：電機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁場的轉(zhuǎn)速相同，或與電源頻率成嚴(yán)格比例關(guān)系。 結(jié)構(gòu)：定子和轉(zhuǎn)子。 定子：與異步電動機(jī)相同。作用是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。 定子繞組：三相、兩相和單相。三相電機(jī)使用三相電源，產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。兩相繞組電機(jī)采用電容移相的辦法（實(shí)質(zhì)接的單相電）。單相電機(jī)指罩極電機(jī)。 電源：三相電機(jī)和單相電機(jī)。 轉(zhuǎn)子材料：永磁式，磁阻式（反應(yīng)式）和磁滯式。第1頁/共106頁4.2 永磁式同步電動機(jī)一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子是永磁磁極。 可以多級。二、工作原理 磁極間的作用力+旋轉(zhuǎn)磁場。 定子電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場， 磁極間同性相斥、異性相吸，旋轉(zhuǎn)磁場帶動永磁轉(zhuǎn)子共

2、同轉(zhuǎn)動。 同步轉(zhuǎn)速為 r/min 60sfnp第2頁/共106頁4.2 永磁式同步電動機(jī)三、電磁轉(zhuǎn)矩的解析表達(dá)式 設(shè)轉(zhuǎn)子和定子磁極軸線的夾角（電角）為 ， 圓柱表面磁場間的作用力矩是周期函數(shù)。 基波分量 電機(jī)的基本電磁轉(zhuǎn)矩 ：失調(diào)角或功率角四、同步運(yùn)行 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與磁場相同。 隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化 。 當(dāng)失調(diào)角為90時(shí)轉(zhuǎn)矩最大。sinsrTKF FsinTK第3頁/共106頁4.2 永磁式同步電動機(jī) 因而，永磁式同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩宇失調(diào)角有關(guān)。 若負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，電機(jī)失調(diào)角自動增加，以便產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩來平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并保持轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動；若負(fù)載轉(zhuǎn)矩變小，失調(diào)角也變小，但電機(jī)始終保持在同步轉(zhuǎn)速。 同步電

3、機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不可大于最大同步轉(zhuǎn)矩。 思考：某一永磁式同步電機(jī)，同步轉(zhuǎn)速1500r/min。最大輸出電磁轉(zhuǎn)矩為1Nm,問當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.5Nm時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速？轉(zhuǎn)子失調(diào)角？第4頁/共106頁4.2 永磁式同步電動機(jī)五、起動與異步運(yùn)行 純粹的同步電機(jī)起動難。 旋轉(zhuǎn)磁場無慣性，轉(zhuǎn)子 有慣性 。 轉(zhuǎn)矩時(shí)正、時(shí)負(fù)，平均為零。 影響起動的因素：轉(zhuǎn)動慣量與轉(zhuǎn)速差大。 解決辦法：加鼠籠啟動繞組 。 起動與異步時(shí)，鼠籠繞組有 電流和異步轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)速接近 同步轉(zhuǎn)速，磁極力拉入同步。 鼠籠繞組：短時(shí)工作。第5頁/共106頁4.2 永磁式同步電動機(jī)六、機(jī)械特性 為最大同步轉(zhuǎn)矩， 又稱為失步轉(zhuǎn)矩。 為名義牽入轉(zhuǎn)矩 (s

4、=0.05) 鼠籠繞組電阻小，機(jī)械特性硬， 避免S=0.05處Tin太小。七、優(yōu)、缺點(diǎn) 功率較大，功率因數(shù) 和效率最高，綜合性能指標(biāo)較好。 起動電流倍數(shù)較大，且永磁體價(jià)格貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以整機(jī)成本較高 。 maxtTtinT第6頁/共106頁4.2 永磁式同步電動機(jī) 思考： 永磁異步電動機(jī)的鼠籠繞組有何作用？為何啟動時(shí)（或轉(zhuǎn)差率較大時(shí)）鼠籠繞組產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而永磁鐵不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩？為何同步運(yùn)行時(shí)永磁鐵產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩而鼠籠繞組不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩？第7頁/共106頁4.3 磁阻同步電動機(jī) 變磁阻或反應(yīng)式同步電動機(jī)一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 軟磁鋼片加非磁性金屬片。 轉(zhuǎn)子不同的方向磁阻不同。 磁阻隨轉(zhuǎn)角變化。 凸極（導(dǎo)磁）。二、

5、工作原理 磁力線收縮力，使磁阻最小、磁力線最短。 r/min 啟動困難，需要啟動繞組。60sfnnp第8頁/共106頁4.3 磁阻同步電動機(jī)三、電磁轉(zhuǎn)矩T 是的周期函數(shù)， 周期是 ，基波 = 45轉(zhuǎn)矩取得最大值 。 轉(zhuǎn)矩 ， 由磁阻不同產(chǎn)生。 分別為交軸磁阻和直軸磁阻 磁阻同步電動機(jī)原理：旋轉(zhuǎn)磁場+磁阻轉(zhuǎn)矩:04590135180:0000T1801sin2TK()sin2mqmdTK RR,mqmdRR第9頁/共106頁4.3 磁阻同步電動機(jī)四、磁阻轉(zhuǎn)矩與基本電磁轉(zhuǎn)矩 磁化形成的臨時(shí)磁極與固有磁極， 周期不同。 永磁同步電機(jī)中有兩種轉(zhuǎn)矩， 磁阻轉(zhuǎn)矩很小，稱為附加轉(zhuǎn)矩 。 直流有槽電機(jī)存在磁阻

6、轉(zhuǎn)矩，引起轉(zhuǎn)矩波動。五、電機(jī)的起動：起動難，用鼠籠繞組。六、機(jī)械特性 同永磁同步電機(jī)。七、優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低，功率因數(shù)和效率低 。第10頁/共106頁4.4 磁滯同步電動機(jī)一、磁滯電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 定子結(jié)構(gòu)與普通交流電機(jī)相同； 轉(zhuǎn)子：隱極式結(jié)構(gòu),沒有繞 組，在外圓周處是一個(gè)環(huán) 狀的有效層，由具有磁滯特性的硬磁材料制成的，但預(yù)先不磁化，無固定磁極。環(huán)狀結(jié)構(gòu)可以節(jié)省硬磁材料。 有效層內(nèi)用非磁性材料或軟磁材料制成（如黃銅、鋁合金等），稱襯套。第11頁/共106頁4.4 磁滯同步電動機(jī)二、旋轉(zhuǎn)磁場中磁滯材料的磁滯特性（B變化滯后于H變化） 設(shè)轉(zhuǎn)子由磁滯材料 制成，定子磁場是 外磁場，可以旋轉(zhuǎn)。 設(shè)轉(zhuǎn)

7、子不動，外磁 場轉(zhuǎn)動，兩磁場軸 線夾角為 。 軟磁材料： 。磁滯材料： 。 外磁場轉(zhuǎn)角小 時(shí)轉(zhuǎn)子磁場軸線不變，轉(zhuǎn)角大時(shí)轉(zhuǎn)子磁場軸線轉(zhuǎn)動。 磁滯角（失調(diào)角）： ，最大磁滯角： 。 轉(zhuǎn)子磁場軸線滯后于定子磁場軸線變化，由磁滯材料特性決定三、磁滯轉(zhuǎn)矩 最大磁滯轉(zhuǎn)矩 00,mmsinTKsinhmmTK第12頁/共106頁4.4 磁滯同步電動機(jī)四、起動過程 定子繞組通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場， 。相當(dāng)于轉(zhuǎn)子不動，磁場以 轉(zhuǎn)動。磁場夾角 反復(fù)磁化，有磁滯損耗；五、同步運(yùn)行六、異步運(yùn)行 磁滯轉(zhuǎn)矩： 渦流轉(zhuǎn)矩： 總轉(zhuǎn)矩 七、機(jī)械特性snsnnm0snsnnsinTKsnneTsinhmmTTKsinhmmTKhmeT

8、TThmm0 0TT第13頁/共106頁4.4 磁滯同步電動機(jī)八、異步運(yùn)行時(shí)的熱損耗 產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗 。磁滯材料磁滯損耗大，發(fā)熱嚴(yán)重，不宜長期異步運(yùn)行。十、優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 1）轉(zhuǎn)子無起動繞組，結(jié)構(gòu)簡單。2）堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大。3）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對稱，動平衡好，轉(zhuǎn)速可以很高。 缺點(diǎn) 1）功率因數(shù)低。2）磁滯材料貴。第14頁/共106頁4.5 電磁減速式同步電動機(jī) 又稱低速同步電動機(jī)，每分鐘幾十轉(zhuǎn)到數(shù)百轉(zhuǎn) 。 轉(zhuǎn)速與電源頻率成比例，可歸入同步電動機(jī)。 反應(yīng)式，定、轉(zhuǎn)子鐵心上都有均布的開口型齒槽。 定子槽中放有兩相或三相繞組，轉(zhuǎn) 子沒有繞組。 每個(gè)極距下，轉(zhuǎn)子齒 數(shù)比定子齒數(shù) 多1。設(shè)定子、轉(zhuǎn)子齒數(shù)分別為

9、、 ，極對數(shù)為p ，則有sZrZ122srZZpp2rsZZp第15頁/共106頁4.5 電磁減速式同步電動機(jī) 兩級電機(jī)，定子齒數(shù)=16，則轉(zhuǎn)子齒數(shù)18 。 定子磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之比為 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 r/min 結(jié)構(gòu)簡單，因此制造方便，成本較低。轉(zhuǎn)速越低，定、轉(zhuǎn)子上的齒數(shù)也越多。2 /ssZ2 /2 /rsrZZ222sSremrrssrZZiZZZZ60 ()120srsemrrnf ZZfnipZZ第16頁/共106頁第五章 步進(jìn)電動機(jī)及其控制5.1 概述 名稱：轉(zhuǎn)角受脈沖信號控制，一個(gè)脈沖前進(jìn)一步。電機(jī)輸入脈沖電流，脈沖電機(jī)。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動與磁場一致，同步電機(jī)。 將數(shù)字式電脈沖信號轉(zhuǎn)化為機(jī)械

10、位移的執(zhí)行元件； 應(yīng)用特點(diǎn)：廣泛用于開環(huán)位置控制控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試容易。 應(yīng)用場所：數(shù)控機(jī)床，計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備，鐘表，數(shù)字控制系統(tǒng)等 。 類型：磁阻式，永磁式，混合式（感應(yīng)子式）。第17頁/共106頁5.1 概述 優(yōu)點(diǎn)： 1、直接數(shù)字控制，控制簡單； 2、開環(huán)位置控制精度高，速度與脈沖平率嚴(yán)格正比 3、自鎖能力； 4、無換向裝置，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用； 缺點(diǎn): 效率低；功率??；配驅(qū)動器；分辨力不靈活。第18頁/共106頁舉例：數(shù)控機(jī)床第19頁/共106頁5.2 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理一、磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 定、轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成， 定子上有控制繞組。 基于磁阻變化而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩

11、。 1單段式 定子鐵心內(nèi)圓上分布著若干 個(gè)大齒磁極。每個(gè)磁極 上都裝有控制繞組, 接成m 相。每相有兩個(gè)繞組，位于 一條直徑兩端。第20頁/共106頁5.2 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理 定子磁極數(shù) 定子磁極有均布的小齒 。 轉(zhuǎn)子沒有繞組，鐵心外圓上也有小 齒，與定子小齒完全相同。 齒距角：兩齒中心線的夾角 若某一磁極下定、轉(zhuǎn)子的齒對齊，則同一相的另一個(gè)磁極下的定、轉(zhuǎn)子的小齒也是對齊的，相鄰極下的定、轉(zhuǎn)子齒之間錯(cuò)開轉(zhuǎn)子齒距的 。 22pm360trZ1222rrzKzpKpm1/m第21頁/共106頁第22頁/共106頁5.2 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理 2多段式 多段式又稱為軸向分相式。按其磁

12、路的特點(diǎn)不同，又可分為軸向磁路多段式和徑向磁路多段式兩種。多段式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)子可細(xì)長，減小慣量。第23頁/共106頁5.2 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理二、工作原理1.簡述 旋轉(zhuǎn)磁場+磁阻轉(zhuǎn)矩 與磁阻同步電機(jī)有區(qū)別 各相繞組輪流通電，形成步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場。磁阻轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置。2.無小齒的三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī) 周期性通電 。 通電一周期，轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子的一個(gè)齒矩角。磁場順轉(zhuǎn)。 22,3,1, 24rrzpKpmKz 360 /90trz/30tm1232ABCA第24頁/共106頁5.2 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理 改變通電順序， 磁場和轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)角大小不變。 結(jié)論 步進(jìn)電動機(jī)各相繞組輪流

13、通電，形成步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)動方向取決于通電的順序。為了使電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動，通電狀態(tài)的變化應(yīng)當(dāng)是周期性的。 通電狀態(tài)完成一個(gè)周期，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子的一個(gè)齒距角。轉(zhuǎn)角大小取決于通電狀態(tài)變化次數(shù)（輸入脈沖個(gè)數(shù)），轉(zhuǎn)速取決于通斷電的頻率（脈沖頻率）。 一個(gè)磁極下定轉(zhuǎn)子齒對齊，相鄰磁極下齒錯(cuò)開，電機(jī)才能運(yùn)動。1234ACBA第25頁/共106頁5.2 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理3.拍數(shù)與步矩角 各繞組通電的不同狀態(tài)數(shù)稱為拍數(shù)，記為N。如上述電機(jī)，拍數(shù)為3 。在通、斷電的一個(gè)周期內(nèi)，通電狀態(tài)改變的次數(shù)也就是拍數(shù)，改變一次通電狀態(tài)也稱為1 拍。 改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角位移稱為步距角，即每一拍(步)所轉(zhuǎn)過的角

14、度，記為 。 每個(gè)通電周期共N拍，走N步，轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角 ，故有 上述電機(jī) 步矩角太大，應(yīng)增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)。bt360tbrNZ N360304 3b第26頁/共106頁5.2 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理4.有小齒的四相磁阻式步進(jìn)電動機(jī) 定子8極4相繞組。 極距包含的齒數(shù) 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 1拍 一周期轉(zhuǎn)一個(gè)齒距角 4相單4拍，單：一個(gè)繞組通電。缺點(diǎn)：瞬間轉(zhuǎn)矩為零。4,28mpp22,6,50,360 /507.2rrtzpKKz501684rz /41.8t4t拍第27頁/共106頁5.2 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理第28頁/共106頁5.2 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理 兩相通電 4相雙4拍 雙：兩相

15、 1拍： 一周期一個(gè)齒距角。與單拍運(yùn)行相同。 4相8拍/41.8t8,/80.9btN/41.8t第29頁/共106頁5.2 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理AABBBCCCDDDAA第30頁/共106頁5.2 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理5. 步進(jìn)電動機(jī)的分配方式及轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速 步進(jìn)電機(jī)通、斷電的轉(zhuǎn)換規(guī)律稱分配方式。 單拍制：拍數(shù)等于相數(shù)，如四相單四拍、四相雙四拍 雙拍制：拍數(shù)等于相數(shù)的2倍，如四相八拍、三相六拍； m相數(shù) N大，步距角小。k=1單拍制，k=2雙拍制 細(xì)分電路 k=4，8，16，32。 用脈沖信號進(jìn)行控制，一個(gè)脈沖改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，轉(zhuǎn)速 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角由脈沖個(gè)數(shù)決定，轉(zhuǎn)速

16、由脈沖頻率決定。6060360brfnfz NNkm360 /()brz N一臺步進(jìn)電動機(jī)可有兩個(gè)步距角，如1.5 /0.75 ,1.2 /0.6第31頁/共106頁5.3 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)特性 當(dāng)控制脈沖不斷輸入，各相按照一定順序輪流通電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就一步一步的轉(zhuǎn)動。當(dāng)控制脈沖停止，并且最后一拍通電的定子控制繞組仍通入恒定不變的電流時(shí)，通電繞組產(chǎn)生的電磁力將使得轉(zhuǎn)子固定不動，該狀態(tài)為步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)。 在靜態(tài)時(shí)，若有外力矩存在，電磁力將力圖把轉(zhuǎn)子拉回原位置，為靜態(tài)自鎖能力。第32頁/共106頁5.3 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)特性 步進(jìn)電機(jī)繞組通電狀態(tài)保持不變而轉(zhuǎn)子靜止的狀態(tài)稱為靜態(tài)。靜態(tài)時(shí)

17、所具有的性能稱為靜態(tài)特性，主要指轉(zhuǎn)矩和偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系。 在步進(jìn)電動機(jī)中定義電角 等于轉(zhuǎn)子齒數(shù) 乘以機(jī)械角 ，即 用電角表示齒距角 用電角表示的步距角為 rad 以電角表示的齒距角和步距角與齒數(shù)無關(guān)。eerZrZ3602tebeNNNte3603602 radtetrrrzzz第33頁/共106頁5.3 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)特性一、單相通電 定、轉(zhuǎn)子齒軸線夾角（電角 ） 為偏轉(zhuǎn)角。 轉(zhuǎn)矩是偏轉(zhuǎn)角的周期函數(shù)，周期為2rad （電角）。 =0 的位置是穩(wěn)定平衡位置， =是不穩(wěn)定平衡位置。 轉(zhuǎn)矩eeesinmeTT 第34頁/共106頁5.3 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)特性35000 3 0222e T+

18、-第35頁/共106頁5.3 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)特性36 平衡位置平衡位置 電磁轉(zhuǎn)矩為零，靜止不動。電磁轉(zhuǎn)矩為零，靜止不動。n單相通電時(shí)的穩(wěn)定平衡位置單相通電時(shí)的穩(wěn)定平衡位置: 通電極下齒與齒對齊。通電極下齒與齒對齊。 不穩(wěn)定平衡位置：不穩(wěn)定平衡位置： 齒與槽對齊。齒與槽對齊。第36頁/共106頁5.3 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)特性 失調(diào)角 :轉(zhuǎn)子偏離穩(wěn)定平衡位置的角度，等于實(shí)際角位移 減去穩(wěn)定平衡點(diǎn)的角位移 。 前述的轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角也就是失調(diào)角。 靜轉(zhuǎn)矩:步進(jìn)電機(jī)靜止且繞組通以 直流電時(shí)，由失調(diào)角引起的轉(zhuǎn)矩。 矩角特性:靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系。 最大靜轉(zhuǎn)矩 ，與繞組電流有關(guān)。 靜穩(wěn)定區(qū) ：轉(zhuǎn)矩使

19、轉(zhuǎn)子回到原平衡位置 。0e0eee0sinsin()memeeTTT sinmeTT 00emTe ee第37頁/共106頁5.3 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)特性 靜穩(wěn)定區(qū) ：轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子回到原平衡位置的區(qū)域 。e 第38頁/共106頁5.3 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)特性多相通電時(shí)的矩角特性三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)繞組通電時(shí)的矩角特性m-sinAeT = T2)3m-sin(BeT = T2)3m-sin(CeT = T)3m-sin(ABABeT=TTTA相通電A、B相同時(shí)通電B相通電C相通電第39頁/共106頁5.3 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)特性三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的矩角特性曲線簇第40頁/共106頁5

20、.3 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)特性三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的多相控制三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的多相控制A相通電A、B相通電第41頁/共106頁5.3 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)特性多相通電時(shí)的矩角特性四相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)繞組通電時(shí)的矩角特性m-sinAeT = T)2m-sin(BeT = T)m-sin(CeT = T3)2msin(DeT = -TA相通電D相通電B相通電C相通電第42頁/共106頁5.3 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)特性四相步進(jìn)電動機(jī)的矩角特性曲線簇第43頁/共106頁5.3 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)特性多相通電時(shí)的矩角特性2)4m-sin(ABeT=TA、B相通電D、A相通電B、C相通電C、

21、D相通電32)4m-sin(BCeT=T52)4m-sin(CDeT=T72)4m-sin(DAeT=T四相雙四拍的矩角特性第44頁/共106頁5.3 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)特性四相雙四拍及四相單雙八拍的矩角特性曲線簇第45頁/共106頁n相通電時(shí)的矩角特性m-sin1eT = T)m-sin(2ebeT = T(1)nmsin(nebeT = -T1相通電n相通電2相通電2)m-sin(3ebeT = T3相通電.依次相差一個(gè)步距角第46頁/共106頁n相通電時(shí)的矩角特性按疊加原理，n (nm)相同時(shí)通電時(shí)的靜轉(zhuǎn)矩( )12m nnTTTTsinsin()sin(1)eebeebeTnm=

22、-sin(/2)1sin()sin(/2)2eebeennTm= -sin(/)1sin()sin(/)enmnTmmm= -2 /bem第47頁/共106頁5.3 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的靜態(tài)特性二、多相通電 兩相或兩相以上的控制繞組同時(shí)通電 。 利用疊加原理可得多相通電時(shí)的矩角特性： 利用三角函數(shù)可推得 三相電機(jī) 四相電機(jī) 五相電機(jī) 四相以上，多相通電能提高最大靜轉(zhuǎn)矩。 ( )sinm neTT ( )sinsinm nmnTmTm(2)mmTT(2)1.41mmTT(2)1.62mmTT(3)1.62mmTT第48頁/共106頁上次課總結(jié) 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、基本工作原理 齒距角、步距角的概念；

23、步進(jìn)電機(jī)角位移、角速度的計(jì)算方法； “拍”的概念，及步進(jìn)電機(jī)的分配方式；第49頁/共106頁上次課總結(jié) 步進(jìn)電機(jī)繞組通電狀態(tài)保持不變而轉(zhuǎn)子靜止的狀態(tài)稱為靜態(tài)。靜態(tài)時(shí)所具有的性能稱為靜態(tài)特性，主要指轉(zhuǎn)矩和偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系。 在步進(jìn)電動機(jī)中定義電角 等于轉(zhuǎn)子齒數(shù) 乘以機(jī)械角 ，即 用電角表示齒距角 用電角表示的步距角為 rad 以電角表示的齒距角和步距角與齒數(shù)無關(guān)。eerZrZ3602tebeNNNte3603602 radtetrrrzzz第50頁/共106頁上次課總結(jié)000 3 0222e T+-第51頁/共106頁上次課總結(jié) 平衡位置平衡位置 電磁轉(zhuǎn)矩為零，靜止不動。電磁轉(zhuǎn)矩為零，靜止不動。n單

24、相通電時(shí)的穩(wěn)定平衡位置單相通電時(shí)的穩(wěn)定平衡位置: 通電極下齒與齒對齊。通電極下齒與齒對齊。 不穩(wěn)定平衡位置：不穩(wěn)定平衡位置： 齒與槽對齊。齒與槽對齊。第52頁/共106頁上次課總結(jié) 失調(diào)角 :轉(zhuǎn)子偏離穩(wěn)定平衡位置的角度 靜轉(zhuǎn)矩:步進(jìn)電機(jī)靜止且繞組通以直流電時(shí)，由失調(diào)角引起的轉(zhuǎn)矩。 矩角特性:靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系。 最大靜轉(zhuǎn)矩 ，與繞組電流有關(guān)。 靜穩(wěn)定區(qū) ：轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子回到原平衡位置 。sinmeTT mTe e第53頁/共106頁上次課總結(jié) 多相通電時(shí)的矩角特性：各相繞組單獨(dú)通電時(shí)矩角特性的疊加。第54頁/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性 步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場不是均勻的，而是步進(jìn)形式

25、； 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)總是在電氣和機(jī)械的過渡過程中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子運(yùn)動或多或少的具有過渡過程的振蕩性質(zhì)； 步進(jìn)電機(jī)的動特性將直接影響到系統(tǒng)的快速響應(yīng)與工作的可靠性。第55頁/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性一、單步運(yùn)行狀態(tài) 繞組通電持續(xù)時(shí)間長，持續(xù)時(shí)間 大于步進(jìn)電機(jī)的機(jī)電過渡時(shí)間， 轉(zhuǎn)子每拍從靜止開始轉(zhuǎn)動。1.單步運(yùn)行 A相穩(wěn)定平衡位置為零位。 1）無反抗性負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩情況。 每步轉(zhuǎn)一個(gè)步矩角。ABCA:023ebebebe第56頁/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性2)恒定負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩 且 是相鄰矩角曲線交點(diǎn)對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩 。ABCALTLstTT:()()eeabeebbeecst

26、T 陰影部分表示在運(yùn)行過程中電磁轉(zhuǎn)矩中減去了負(fù)載轉(zhuǎn)矩后，克服轉(zhuǎn)子加速運(yùn)行的加速轉(zhuǎn)矩。第57頁/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性 2.步進(jìn)電動機(jī)的負(fù)載能力（起動轉(zhuǎn)矩 ） 設(shè) 對應(yīng)角 的電磁轉(zhuǎn) 矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩， 電機(jī)不能向前運(yùn)動。 是電機(jī)作單步運(yùn)行所能帶的極限負(fù)載。ABCLstTTLstTTemstT1 2sincoscoscos222bebestmmmmTTTTTNN stNTNstT第58頁/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性 三相單雙六拍制時(shí)盡管最大靜轉(zhuǎn)矩未變，但步距角縮小了，矩角特性曲線族包絡(luò)線的最低點(diǎn)升高了，起動轉(zhuǎn)矩變大。多拍情況下，交高升高，負(fù)載能力提高。第59頁

27、/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性60u 單步運(yùn)行步進(jìn)電動機(jī)的自由振蕩第60頁/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性3.單步運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動形式 由一個(gè)穩(wěn)定平衡位置到下一 個(gè)穩(wěn)定平衡位置的運(yùn)動過程， 過渡過程，階躍響應(yīng)。 單調(diào)變化和衰減的振蕩 。第61頁/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性二、連續(xù)運(yùn)行狀態(tài) 1.幾個(gè)概念 1）控制頻率 步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖信號的頻率。 2）連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)：繞組通電的持續(xù)時(shí)間小于轉(zhuǎn)子運(yùn)動的機(jī)電過渡過程時(shí)間。 3）失步：步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)動的步數(shù)與輸入脈沖數(shù)不相等。 丟步：步數(shù)少于脈沖數(shù)。發(fā)生在加速時(shí)。 越步：步數(shù)多于脈沖數(shù)。發(fā)生在減速時(shí)。 對步進(jìn)

28、電機(jī)的基本要求：不失步。第62頁/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性u 多相通電靜穩(wěn)定區(qū)和動穩(wěn)定區(qū)u靜穩(wěn)定區(qū)u動穩(wěn)定區(qū)u穩(wěn)定裕度第63頁/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性u 動穩(wěn)定區(qū)動穩(wěn)定區(qū) 如果在第n相控制繞組通電狀態(tài)換接為第n+1相控制繞組通電狀態(tài)瞬間，轉(zhuǎn)子位置只要在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，它就能轉(zhuǎn)向新的穩(wěn)定平衡點(diǎn)O 1，且不越過不穩(wěn)定平衡點(diǎn) 。(- +)( +)beebe u 穩(wěn)定裕度穩(wěn)定裕度 將矩角特性曲線n的穩(wěn)定平衡點(diǎn)O離開(n+1)相矩角特性曲線的不穩(wěn)定平衡點(diǎn) 的距離，即 的范圍。(- +)be (- +)0bee 第64頁/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性2

29、.步進(jìn)電動機(jī)的起動過程和起動頻率 三相電機(jī) ，負(fù)載 轉(zhuǎn)矩為零但有粘滯 阻尼轉(zhuǎn)矩。 第一個(gè)脈沖 ， A斷B通。 第二個(gè)脈沖， B斷C通。 1)轉(zhuǎn)子位移小，在 點(diǎn) ，電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，第三個(gè)脈沖到時(shí)可能向 運(yùn)動，不能起動。 2)轉(zhuǎn)子位移大，在 點(diǎn) ，轉(zhuǎn)矩為正，能起動。ABCA012bbbbO1baO2b第65頁/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性 步進(jìn)電動機(jī)能否起動，要看脈沖到的時(shí)刻，轉(zhuǎn)子是否處于對應(yīng)的穩(wěn)定區(qū)。 步進(jìn)電動機(jī)能否起動與控制頻率有關(guān)，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)。 起動頻率：步進(jìn)電動機(jī)能無失步起動和停轉(zhuǎn)的最高頻率。 起動矩頻特性：其他條件不變的情況下，起動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

30、 。 起動慣頻特性：其他條件 不變的情況下，起動頻率 與負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的關(guān)系。第66頁/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性3.運(yùn)行頻率、動態(tài)轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行矩頻特性 運(yùn)行頻率：步進(jìn)電動機(jī)在負(fù)載條件下能無失步運(yùn)行的最高控制頻率。 動態(tài)轉(zhuǎn)矩：步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，步進(jìn)電動機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩。 運(yùn)行矩頻特性：步進(jìn)電動機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行頻率f 的關(guān)系。 動態(tài)轉(zhuǎn)矩從起動轉(zhuǎn)矩開始， 隨控制頻率的升高而減小。第67頁/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性4.動態(tài)轉(zhuǎn)矩下降的原因及提高轉(zhuǎn)矩的措施 物理角度的猜測：轉(zhuǎn)矩 磁場與電流，電流達(dá)不到規(guī)定值。 電感的影響 ，控制頻率升高后，電流達(dá)不

31、到規(guī)定值。 1）增大電阻，減小時(shí)間常數(shù)；2）雙電源aLTR第68頁/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性第69頁/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性5.不同控制頻率下的運(yùn)行 1）極低頻下運(yùn)行 控制脈沖的周期足夠長， 新脈沖到來時(shí)，轉(zhuǎn)子處 于平衡位置，電機(jī)總是 從不動的狀態(tài)開始運(yùn)行， 即單步運(yùn)行。 不會出現(xiàn)丟步、越步現(xiàn)象第70頁/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性2）低頻運(yùn)行，低頻丟步和低頻共振 控制頻率增加，在轉(zhuǎn)子振蕩還未衰減完時(shí)，下一個(gè)脈沖就來到。 轉(zhuǎn)子的運(yùn)行情況與脈沖到來時(shí)轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)，和控制頻率有關(guān)。第71頁/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性 當(dāng)

32、控制脈沖的頻率等于或接 近步進(jìn)電動機(jī)振蕩頻率的 1 / k 倍（k = 1 , 2 , 3 ）， 電機(jī)可能出現(xiàn)強(qiáng)烈振動甚至 失步和無法工作。 三相步進(jìn)電機(jī)的低頻丟步 低頻共振現(xiàn)象 。每步超調(diào)大。 應(yīng)避免運(yùn)行在這類頻率。 減弱低頻共振：增加阻尼 。 其余情況可正常運(yùn)行。第72頁/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性第73頁/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性3）連續(xù)脈沖作用下的平穩(wěn)運(yùn)行 當(dāng)控制頻率接近或高于電機(jī)振蕩頻率的2倍，電機(jī)的運(yùn)行比較平穩(wěn)。第74頁/共106頁5.4 磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性 當(dāng)電機(jī)啟動后，可按照一定的速度提高頻率，電機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之增加，電機(jī)能正常運(yùn)行的最

33、高頻率為運(yùn)行頻率?？蛇_(dá)10000hz以上。 提高頻率要考慮一下兩點(diǎn)：頻率增加，由于繞組電感作用，電流下降，動態(tài)轉(zhuǎn)矩下降，另外，頻率高，轉(zhuǎn)子慣量影響使得跟不上磁場步進(jìn)旋轉(zhuǎn)速度，可能會丟步。 為提高最高頻率，一方面減小時(shí)間常數(shù)，提高動態(tài)轉(zhuǎn)矩，另一方面減小轉(zhuǎn)子慣量。第75頁/共106頁5.5 永磁式步進(jìn)電動機(jī)5.5.1 永磁式步進(jìn)電動機(jī) 1.結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)子，永磁體， 磁極數(shù)與每相控制繞組形成的極數(shù) 相等。 轉(zhuǎn)子磁極軸線夾角 定子鐵心，軟磁鋼片疊壓。 定子上有 個(gè)磁極和線圈。m相繞組，每相有 個(gè)線圈和磁極。 定子磁極軸線夾角2rZp360rrZ2srZmZmpsZ2rZp36012srmpm第76頁/共1

34、06頁5.5 永磁式步進(jìn)電動機(jī) 兩相電機(jī) 定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極對齊時(shí)，相鄰定子磁極軸線和轉(zhuǎn)子磁極軸線的夾角就是2m 4rZ 90r8sZ 45ss第77頁/共106頁5.5 永磁式步進(jìn)電動機(jī) 2. 工作原理 每相繞組都有正、反兩種通電狀態(tài)， 共有N2m 個(gè)通電狀態(tài)（拍數(shù)N）。 兩相電機(jī)有4種通電狀態(tài)。 當(dāng)A相通電，定、轉(zhuǎn)子磁極對齊， B相極下定、轉(zhuǎn)子磁極軸線夾角為 。當(dāng)A斷B通，B相極下定、轉(zhuǎn)子磁極對齊時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過定子的一個(gè)極距角。故轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)角（步距角）為 一個(gè)通電循環(huán)應(yīng)走2m步，轉(zhuǎn)動角度為 轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子的一對磁極的距離。 一個(gè)通電循環(huán)有4步，轉(zhuǎn)動180。s3602bsmp2360 /bmp45b

35、s第78頁/共106頁5.5 永磁式步進(jìn)電動機(jī) 永磁式步進(jìn)電動機(jī)的特點(diǎn)是： （1）步距角大，例如15、22.5、45、90等； （2）起動頻率低，通常為幾十至幾百Hz（但轉(zhuǎn)速不一定低）； （3）由于用永磁轉(zhuǎn)子，控制功率??； （4）斷電時(shí)有定位轉(zhuǎn)矩； （5）由于用永磁轉(zhuǎn)子，阻尼特性較好。第79頁/共106頁上次課總結(jié) 步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性1、單步運(yùn)行狀態(tài) 繞組通電持續(xù)時(shí)間長，持續(xù)時(shí)間 大于步進(jìn)電機(jī)的機(jī)電過渡時(shí)間， 轉(zhuǎn)子每拍從靜止開始轉(zhuǎn)動。2、步進(jìn)電動機(jī)的負(fù)載能力（起動轉(zhuǎn)矩）cosstmTTN stNTN第80頁/共106頁上次課總結(jié)2、步進(jìn)電動機(jī)的負(fù)載能力多拍情況下，交高升高，負(fù)載能力提高。第8

36、1頁/共106頁上次課總結(jié)3.單步運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動形式 由一個(gè)穩(wěn)定平衡位置到下一 個(gè)穩(wěn)定平衡位置的運(yùn)動過程， 過渡過程，階躍響應(yīng)。第82頁/共106頁上次課總結(jié)4、連續(xù)運(yùn)行狀態(tài) 繞組通電的持續(xù)時(shí)間小于轉(zhuǎn)子運(yùn)動的機(jī)電過渡過程時(shí)間。5、步進(jìn)電動機(jī)的起動過程和起動頻率 步進(jìn)電動機(jī)能否起動，要看脈沖到的時(shí)刻，轉(zhuǎn)子是否處于對應(yīng)的穩(wěn)定區(qū)。 步進(jìn)電動機(jī)能否起動與控制頻率有關(guān)，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)。第83頁/共106頁上次課總結(jié)6、丟步 控制頻率增加，在轉(zhuǎn)子振蕩還未衰減完時(shí)，下一個(gè)脈沖就來到。 轉(zhuǎn)子運(yùn)行情況與脈沖到來時(shí)轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)，和控制頻率有關(guān)。第84頁/共106頁上次課總結(jié)6、丟步 當(dāng)控制脈沖

37、的頻率等于或接近步進(jìn)電動機(jī)振蕩頻率的1 / k 倍（k = 1 , 2 , 3 ）， 電機(jī)可能出現(xiàn)強(qiáng)烈振動甚至失步和無法工作。第85頁/共106頁上次課總結(jié)7、連續(xù)脈沖作用下的平穩(wěn)運(yùn)行 當(dāng)控制頻率接近或高于電機(jī)振蕩頻率的2倍，電機(jī)的運(yùn)行比較平穩(wěn)。 當(dāng)電機(jī)啟動后，可按照一定的速度提高頻率，電機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之增加，電機(jī)能正常運(yùn)行的最高頻率為運(yùn)行頻率?？蛇_(dá)10000hz以上。第86頁/共106頁5.6 步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動器5.6.1 引言 步進(jìn)電動機(jī)的控制器與驅(qū)動器：把足夠功率和規(guī)定頻率的脈沖電壓（電流）按著選定的順序加給各控制繞組。 步進(jìn)電機(jī)必須與控制器和驅(qū)動器配用。 第87頁/共106頁5.6.1 引

38、言 控制器：產(chǎn)生脈沖，過去多由電子電路做成，近年來由單片機(jī)產(chǎn)生脈沖，或者在微機(jī)上用步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)動控制卡產(chǎn)生脈沖。 脈沖分配器：接收控制脈沖信號和方向信號，并按要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相繞組導(dǎo)通或截止的信號。分配器輸出的信號數(shù)目與電機(jī)相數(shù)相同。每來一個(gè)控制脈沖，分配器輸出信號中至少有一個(gè)發(fā)生變化，輸出狀態(tài)就轉(zhuǎn)換一次。方向信號決定輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序還是按反序，從而決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 功率放大器：控制信號放大，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動 。第88頁/共106頁5.6.2 功放輸出級電路直接向繞組提供電壓、電流。一、單電壓功放電路 三極管 的基極電壓控制導(dǎo)通和截 止。 ， 減小電流上升時(shí)間， 提高動態(tài)轉(zhuǎn)矩。電容兩端電壓不能 突變，導(dǎo)通的瞬間C使電阻短路， 使繞組電流上升速度加快。 晶體管截止時(shí)繞組產(chǎn)生的自感電勢使其發(fā)生擊穿。二極管 和電阻 組成續(xù)流回路。電阻的作用是減少續(xù)流回路的時(shí)間常數(shù)。 優(yōu)