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二、步進電動機及其驅(qū)動

(一)步進電動機

步進電動機是一種同步電動機，是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移(或直線位移)的執(zhí)行元件。這種電動機，每施加一個電脈沖，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個角度，稱為一步。脈沖數(shù)增加，角(或直線)位移隨之增加;脈沖頻率高，電動機旋轉(zhuǎn)速度就快，反之則慢;分配脈沖的相序改變，電動機便反轉(zhuǎn)。

步進電動機繞組所加電源既不是恒定直流，也不是正弦交流，而是脈沖電壓，所以有時也稱為脈沖電動機。步進電動機的種類很多，有多種分類方法。若按工作原理分類，則可將步進電動機分為：

反應(yīng)式(磁阻式)、電磁式、永磁式和永磁感應(yīng)子式步進電動機。其中反應(yīng)式和永磁感應(yīng)子式步進電動機比較常用。

1.反應(yīng)式步進電動機

電動機定子有A、B、C三對磁極。在相應(yīng)的磁極上繞有A、B、C三相控制繞組。

當(dāng)A、B、C三對磁極的繞組依次輪流通過直流電時，則A、B、C三對磁極就依次輪流產(chǎn)生磁場吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

首先，當(dāng)A相繞組通電，B、C兩相斷電時，轉(zhuǎn)子的齒1、3分別被定子磁極A—A’吸引而對齊。

然后，A相斷電，B相通電，于是轉(zhuǎn)子的2、4兩齒被定子磁極B—B’吸引，這時轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)了300.，接下去B相斷電，C相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒與定子磁極C-C′軸線對齊，轉(zhuǎn)子又逆時針轉(zhuǎn)過了300。

這種按A→B→C→A→B→C→A…順序輪流通電的方式稱為三相單三拍。“三相”是指定子有三相繞組A、B、C，“單”是指每次只有一相繞組單獨通電，“三拍”是指經(jīng)過三次經(jīng)過切換控制繞組的通電狀態(tài)為一個循環(huán)。每一拍，即輸入一個脈沖信號，都使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個角度，稱之為步距角θs。其計算公式如下：

齒距角：即相鄰兩齒所對應(yīng)的空間角度

Zr—轉(zhuǎn)子齒數(shù)

步距角

N—運行拍數(shù) K=1

θs=360/3×1×4=30°

步進電動機也可以采用三相單、雙拍通電方式，通電順序為A→AB→B→BC→C→CA→A……

三相繞組經(jīng)過六次切換完成一個循環(huán)，因而稱為單雙六拍。

步距角：

N=mk K=2 m=3

θs=360/3×2×4=15°

轉(zhuǎn)速： 轉(zhuǎn)/分，

即步進電機轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運行拍數(shù)。

步進電動機的轉(zhuǎn)子齒數(shù)多，齒距角就小，步距角也就越小，位置精確度就越高。轉(zhuǎn)子齒數(shù)多，步距角就小。

除三相反應(yīng)式步進電動機外，還有四相、五相、六相反應(yīng)式步進電動機。

2.永磁感應(yīng)子式步進電動機

圖5-18永磁感應(yīng)子式步進電動機

由于在磁路中含有永久磁鋼，所以，永磁感應(yīng)子式步進電動機的定子繞組斷電后，仍有一定的定位轉(zhuǎn)矩。

3.步進電動機的主要性能指標(biāo)。步進電動機的主要性能指標(biāo)有：

(1)步距精度?？蛰d時，以單脈沖輸入，步進電動機的實際步距角與理論步距角之差稱為靜態(tài)步距角誤差，以偏差的角度或相對百分?jǐn)?shù)來衡量。我國生產(chǎn)的步進電動機的步距精度一般在±10～±30分的范圍，有些可達±2～±5分。

(2)最大靜轉(zhuǎn)距。轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)時，能與最大負載轉(zhuǎn)矩相平衡的電磁轉(zhuǎn)矩稱為步進電動機的最大轉(zhuǎn)矩。它是衡量步進電動機帶負載能力的主要指標(biāo)。

(3)起動頻率。使步進電動機能夠由靜止定位狀態(tài)不失步地起動，并進入正常運行的控制脈沖最高頻率，稱為起動頻率。在電動機空載情況下，稱為空載起動頻率。在有負載情況下，不失步起動所允許的最高頻率將大大降低。

(4)連續(xù)運行頻率。步進電動機起動后，其轉(zhuǎn)速將跟隨控制脈沖頻率連續(xù)上升而不失步的控制脈沖的最高頻率，稱為連續(xù)運行頻率的最高工作頻率。步進電動機的連續(xù)運行頻率隨負載的增大而下降，但步進電動機連續(xù)運行頻率遠高于其起動頻率。

(二)步進電機對驅(qū)動電源的要求

電源的相數(shù)、電壓、電流、通電方式與步進電機的要求相適應(yīng);

滿足啟動頻率和運行頻率的要求

工作可靠、抗干擾能力強

成本低，效率高，安裝和維護方便

驅(qū)動電源由環(huán)形分配器和功率驅(qū)動器組成。

步進電動機具有獨特的優(yōu)點：

(1)步進電動機的轉(zhuǎn)速主要取決于脈沖的頻率，轉(zhuǎn)數(shù)取決于脈沖數(shù)。

(2)步進電動機的步距值不受各種干擾因素的影響。

(3)步進電動機每走一步所轉(zhuǎn)過的角度(實際步距值)與理論步距值之間總有一定的誤差。從某一步到任何一步，也總會有一定的累積誤差，但每轉(zhuǎn)一圈的累積誤差為零。步距誤差不長期積累。

步進電動機的缺點是過載能力比較差。

步進電動機伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要用于開環(huán)位置控制。它由步進電動機驅(qū)動電源和步進電動機組成，沒有反饋環(huán)節(jié)。這種系統(tǒng)比較簡單，控制和維修也比較方便。由于開環(huán)系統(tǒng)精度不高，且步進電動機的功率和速度也不高，因此這種驅(qū)動系統(tǒng)僅用于小容量、速度低和精度不太高的經(jīng)濟型數(shù)控機床和電加工機床、計算機的打印機、繪圖儀等外部設(shè)備。

三、直流伺服電動機及其速度控制

以直流伺服電動機作為驅(qū)動元件的伺服系統(tǒng)即為直流伺服系統(tǒng)。直流伺服電動機具有良好的調(diào)速性能，尤其是他勵(永磁)直流伺服電動機，其機械特性比較硬，即負載增加時，電動機轉(zhuǎn)速的降幅很小。

(一)直流伺服電動機

1.直流主軸電動機。直流主軸電動機的結(jié)構(gòu)與普遍直流電動機的結(jié)構(gòu)基本相同。

定子也有主磁極和換向磁極，采用矽鋼片疊成。在主磁極上繞有補償繞組，其作用是為了抵消轉(zhuǎn)子反應(yīng)磁動勢對氣隙主磁通的影響，改善電動機的調(diào)速性能。換向磁極的作用是為了改善電動機的換向性能。直流主軸電動機都采用軸向強迫通風(fēng)冷卻或熱管冷卻，以改善冷卻效果，避免電動機熱量傳到主軸。電動機尾部還同軸安裝有測速發(fā)電機作為速度反饋元件。

圖5-19　直流主軸電動機特性曲線

在基本速度nj以下為恒轉(zhuǎn)矩范圍，在基本速度nj以上為恒功率范圍。通常恒轉(zhuǎn)矩速度范圍與恒功率速度范圍之比為1:2。

2.進給直流伺服電動機。在數(shù)控機床的直流進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，多采用永磁直流伺服電動機作為驅(qū)動元件。

永磁直流伺服電動機由電動機本體和檢測部件組成。電動機本體主要由機殼、定子磁極和轉(zhuǎn)子三部分組成。

永磁直流伺服電動機的定子磁極是一個永磁體。不需要勵磁功率。在同樣的輸出功率時體積和重量較小。

反饋用的檢測部件同軸安裝在電動機的尾部(非軸伸出端)。

永磁直流伺服電動機的轉(zhuǎn)子分為小慣量型和普通型兩類。

小慣量型轉(zhuǎn)子又可分無槽轉(zhuǎn)子、空心杯形轉(zhuǎn)子和印刷繞組轉(zhuǎn)子。三種小慣量型轉(zhuǎn)子直流伺服電動機的共同特點是轉(zhuǎn)子慣量小，適合于快速響應(yīng)的伺服系統(tǒng)。但其過載能力低，當(dāng)用于數(shù)控機床等進給伺服系統(tǒng)中時，由于轉(zhuǎn)子慣量與機械傳動系統(tǒng)匹配較差，電動機與機械傳動系統(tǒng)不能直接相連，必須采取一些措施。

普通型轉(zhuǎn)子永磁直流伺服電動機具有以下一些特點：

(1)低速時輸出的轉(zhuǎn)矩大，慣量比較大，能與機械傳動系統(tǒng)直接相連，省去齒輪等傳動機構(gòu)，從而有利于減小機械振動和噪聲，以及齒隙誤差。

(2)轉(zhuǎn)子的熱容量大，電動機的過載性能好，一般能加倍過載幾十分鐘。

(3)調(diào)速范圍寬，當(dāng)與高性能速度控制單元組成速度控制系統(tǒng)時，調(diào)速范圍可達1:1000以上。

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（責(zé)任編輯：中大編輯）

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