步進電機的運行特性

*反應式步進電動機運行特性一、靜態(tài)特性

靜態(tài)運行是指通電狀態(tài)不變，電機處于穩(wěn)定狀態(tài)時的特性。靜特性靜轉矩矩角特性靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)需要清楚的幾個名稱：(1)初始穩(wěn)定平衡位置：指步進電動機在空載情況下，控制繞組中通以直流電流時，轉子的最后穩(wěn)定位置;(2)失調角q：指步進電動機轉子偏離初始平衡位置的電角度。在反應式步進電動機中，轉子一個齒距所對應的度數為2p電弧度或360o電角度；(3)矩角特性：在不改變通電狀態(tài)(即控制繞組電流不變)時，步進電動機的靜轉矩與轉子失調角的關系，即T=f(q)=0,T=0;>0,T<0;<0,T>0;=,T=0定子轉子當只有一相繞組通電時，儲存在電機氣隙中的磁場能量為磁導變化曲線

步進電動機的矩角特性(4)靜態(tài)穩(wěn)態(tài)區(qū)：在空載時，穩(wěn)定平衡位置對應于q=0處，而q=180度則為不穩(wěn)定平衡位置。在靜態(tài)情況下，如受外力矩的作用使轉子偏離穩(wěn)定平衡位置，但沒有超出相鄰的不穩(wěn)定平衡點，則當外力矩除去以后，電動機轉子在靜態(tài)轉矩作用下仍能回到原來的穩(wěn)定平衡點，所以二個不穩(wěn)定平衡點之間的區(qū)域構成靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。(5)最大靜轉矩：Tmax=f(I)最大靜轉矩特性六拍時的矩角特性族三拍時的矩角特性族(6)矩角特性族二、動態(tài)特性1.單脈沖運行當加上一個控制脈沖信號，矩角特性將轉移到矩角特性族中的下一條矩角特性曲線，轉子將轉到新的穩(wěn)定平衡位置o1。在改變通電狀態(tài)時，只有當轉子起始位置位于ab之間才能使它向o1點運動。因此稱區(qū)間ab為電動機空載時的動態(tài)穩(wěn)定區(qū)。動態(tài)穩(wěn)定區(qū)靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)C動態(tài)穩(wěn)定區(qū)：(-p+qse)<q<(p+qse)a點與o0點之間的夾角qr稱為穩(wěn)定裕度(或裕量角)。裕量角越大，電動機運行越穩(wěn)定。由上式可見，C=1時，反應式步進電動機的相數最少為3。電動機的相數越多，步距角越小，相應的穩(wěn)定裕度越大，運行的穩(wěn)定性也越好。最大負載轉矩(又稱起動轉矩)：TL1<Tst因新的矩角特性曲線上對應點的電磁轉矩大于負載轉矩，使轉子加速并向q增大的方向運動，最終到達新的穩(wěn)定平衡點o’1.TL2>Tst新矩角特性上對應點的轉矩小于負載轉矩，轉子不能到達新的穩(wěn)定平衡點o”1，而是向q減小的方向運動，因此不能作步進運動。由此可知，步進電動機能帶的最大負載轉矩要比最大靜轉矩Tmax小。只有當負載轉矩小于起動轉矩(最大負載轉矩)Tst，才能保證電動機進行正常的步進運動。若矩角特性為幅值相等的正弦波時，可得：當C=1時，m最小為3；m越大，起動轉矩越大；C越大，起動轉矩越大。轉子振蕩過程：以上分析時認為，切換控制繞組時，轉子單調地趨向新的平衡位置，但實際上要經過一個衰減的振蕩過程。為減小振蕩幅度和時間，可增加阻尼：機械阻尼：增加電機轉子的干摩擦阻力或增加粘性阻力。缺點：增大了慣性，快速性能變壞，體積增大。電氣阻尼：多相激磁阻尼、延遲斷開阻尼。優(yōu)點：方法簡單，效果好。當負載轉矩為零，且不計阻尼作用時，用外力使轉子偏離穩(wěn)定平衡位置一個小角度，然后釋放，則轉子將在電磁轉矩作用下向穩(wěn)定位置運動，形成一個自由振蕩，其運動方程為：解為：2.連續(xù)脈沖運行極低頻--連續(xù)步進運行脈沖頻率很低時的低頻共振

頻率介于極低頻與高頻之間，此時脈沖間隔較長，電動機起動和運行一般不會有問題。但是，如果等于或接近于步進電動機的振蕩頻率時，電動機就會出現低頻共振。A相通電，OA—d—OB—e—OB—d，此時第二個脈沖到來，通電繞組由B相換為C相，工作點由d移到f，由于轉矩為負，轉子返向轉動向O’C移動。低頻共振現象

脈沖頻率很高時的連續(xù)運行當控制脈沖的頻率很高時，脈沖間隔的時間很短，電機轉子尚未到達第一次振蕩的幅值，甚至還沒有到達新的穩(wěn)定平衡位置，下一個脈沖就到來。此時電機的運行已由步進變成了連續(xù)平滑的轉動，轉速也比較穩(wěn)定。當頻率太高時，也會產生失步，甚至還會產生高頻振蕩。連續(xù)運行狀態(tài)

起動頻率和起動特性fst

是指一定負載轉矩下能夠不失步地起動的脈沖最高頻率，它的大小與電動機本身參數、負載轉矩及轉動慣量的大小，以及電源條件等因素有關。它是步進電動機的一項重要技術指標。

fst=f(TL)

起動矩頻特性

fst=f(J)

起動慣頻特性連續(xù)運行頻率與運行矩頻特性步進電動機帶一定負載正常起動后，連續(xù)緩慢地升高脈沖頻率，直到不丟步運行的最高頻率，稱為運行頻率。起動連續(xù)運行矩頻特性起動慣頻特性那么，為什么頻率升高后電機的轉矩會下降呢？因為，控制繞組呈電感性，它具有延緩電流變化的作用。4.5步進電動機的驅動電源一、對驅動電源的基本要求驅動電源的相數、通電方式和電壓、電流都要滿足步進電動機的要求；要滿足步進電動機起動頻率和連續(xù)運行頻率的要求；能最大限度地抑制步進電動機的振蕩；工作可靠，抗干擾能力強；成本低、效率高，安裝維護方便。二、驅動電源組成變頻信號源脈沖分配器功率放大器步進電動機負載指令變頻信號源：是一個脈沖頻率由幾赫到幾十千赫可連續(xù)變化的信號發(fā)生器，可以是計算機或振蕩器。脈沖分配器：一種邏輯電路，由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和門電路組成，它可能將輸入的電脈沖信號根據需要循環(huán)地分配到脈沖放大器進行功率放大，并使步進電動機按選定的運行方式工作。三相單三拍脈沖分配器JKQ(t+1)說明101置“1”010置“0”00Q(t)不變11(t)求補JK觸發(fā)器真值表三相單、雙六拍單轉向脈沖分配器功率驅動電路單極性驅動（反應式步進電動機）單一電壓型功率放大電路優(yōu)點：線路簡單，功率元件少，成本低。缺點：Rf1上要消耗能量，工作效率低。只適用于小功率步進電動機。如果電容C選擇不當，在低頻段會使振蕩有所增加，使低頻性能變差。高、低電壓切換型功率放大電路優(yōu)點：電源功耗比較小，效率比較高。矩頻特性好，啟動和運行頻率得到了很大的提高。主要缺點：低頻運行時輸入能量過大，造成電機低頻振蕩加重；增大了電源的容量，對功率管性能參數的要求高。常用于大功率步進電動機的驅動

電流斬波驅動放大電路調頻調壓驅動方式(a)低頻；(b)高頻細分驅動放大電路細分電流波形電流的每個階梯，電機轉動一步，步距角減小了很多。先放大后合成先合成后放大雙極性驅動（永磁式和混合式步進電動機）正負電源供電單一電源供電由于雙極性驅動電路較為復雜，過去僅用于大功率步進電動機機。但近年來出現了集成