专题五十四 步进电机（教案）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题五十四 步进电机（教案）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

一、考纲解读

1.掌握步进电机的基本结构、分类、核心参数定义，理解工作原理的基本逻辑。

2.能识别步进电机的常见故障，掌握基本排查思路；能根据简单需求选择合适的步进电机。

3.试题以单选、填空、判断、简单简答为主，侧重基础知识点的应用，避免复杂计算和抽象分析。

4.能根据具体设备或场景，判断其中步进电机的类型，并简要分析选择该类型电机的原因。

二、知识点梳理

一、步进电机的结构

反应式步进机的结构分解图如图8-38所示。

步进电机,也与一般旋转电机一样,分为定子和转子两大部分。定子由硅钢片叠成,装上一定相数的控制绕组,

采用集中绕组,接成星形联结,其中每两个相对的磁极组成一相,由环形分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁。转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构。

1.步进电机的分类

(1)按其转子构造上的差异,可分为磁电式和反应式两大类,见表8-5。

(2)按步进电机输出转矩大小,可分为快速步进电机和功率步进电机。

(3)按励磁相数,可分为三相、四相、五相、六相等。

(4)按定子排列还可分为多段式(顺轴式)和单段式(垂轴式)。例图为双段四相永磁感应子式步进电机结构

二、步进电机的工作原理

在电动机定子上有A、B、C三对磁极,磁极上绕有线圈,分别称之为A相、B相和C相,而转子则是一个带齿的铁心,这种步进电机称之为三相步进电机。如果在线圈中通以直流电,就会产生磁场,当A、B、C三个磁极的线圈依次轮流通电,则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸弓转子转动。例图8-39为步进电机工作原理图。

三、步进电机的基本特点

步进电机转速只取决于脉冲频率、转子齿数和拍数,而与电压、负载、温度等因素无关。步进电机投工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响(在允许的负载范围内),也不受环境条件(温度、压力、冲击和振动等)变化的影响,只与控制脉冲同步,同时,它又能按照控制的要求进行启动、停止、反转或改变速度,这就是它被广泛应用于各种数字控制系统中的原因。

四、步进电机常见问题分析与排查

力矩会随转速的升高而下降：当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致高而下降力矩下降。

低速时可以正常运转,但若高于一定速度在有负载的情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该就无法启动,并伴有啸叫声：步进电机有一个技术参数:空载起动频率,即步进电机在空载情况

下能够正常启低速时可以正常运动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频。

步进电机为什么会发热：对于各种步进电机而言,内部都是由铁心和绕组组成的。绕组有电阻,通电会产生损耗,损耗大小与电阻和电流的平方成正比,这就是常说的铜损,如果电流不是标准的直流或正弦波,还会产生谐波损耗;铁心有磁滞涡流效应,在交变磁场中也会产生损耗,其大圏小与材料、电流、频率和电压有关,这就是铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来,从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出,效率比较低,电流一般比较大,且谐波成分高,电流交变的频率也随转速而变化,因而步进电机普遍存在发热情况,且情况比一般交流电机严重。

混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE使用：当脱机信号FREE为低电平时,驱动器输出到电机的电流被切断,电机转子处于自由状态(脱机状态)。在有些自动化设备中,如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴(手动方式),可将FREE信号置低,使电机脱机,进行手动操作或调节。手动完成后,再将FREE信号置高,以继续自动控制。

电机发热的影响：电机发热虽然一般不会影响电机的寿命,通常没必要理会。但是,严重的发热会带来一些负面影响。例如,电机内部各部分热膨胀系数不同导致结构应力的变化和内部气隙的微小变化,会影响电机的动态响应,高速会容易失步。又如有些场合不允许电机的过度发热,如医疗器械和高精度的测试设备等。因此对电机的发热应当进行必要的控制。

如何减少电机的发热：减少发热,就是减少铜损和铁损。减少铜损有两个方向,减少电阻和电流,这就要求在选型时尽量选择电阻小和额定电流小的电机,对两相电机,能用串联的电机就不用并联电机。但是这往往与力矩和高速的要求相抵触。对于已经选定的电机,则应充分利用驱动器的自动半流控制功能和脱机功能,前者在电机处于静态时自动减少电流,后者干脆将电流切断。另外,细分驱动器由于电流波形接近正弦,谐波少电机发热也会较少。减少铁损的办法不多,电压等级与之有关,高压驱动的电机虽然会带来高速特性的提升,但也带来发热的增加。因此,应当选择合适的驱动电压等级,兼顾高速性、平稳性和发热与噪声等指标。

五、步进电机的选择

步进电机有步距角(涉及相数)、静转矩及电流三大要素组成。一旦三大要素确定,步进电机的型号便确定下来了。

1.步距角的选择

电机的步距角取决于负载精度的要求,将负载的最小分辨率(当量)换算到电机轴上,每个当量电机应走多少角度(包括减速)。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有 0.36°/0.72°