步進(jìn)電機(jī)的種類

1、步進(jìn)電機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)及工作原理2009-2-5來源： 閱讀：3880次 我要收藏【字體：大中小】步進(jìn)式伺服驅(qū)動系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。 在此系統(tǒng)中，執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī)。它受驅(qū)動 控制線路的控制，將代表進(jìn)給脈沖的電平信號直接變換為具有一定方向、大小和速度的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。 由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)， 它的精度較 差，速度也受到步進(jìn)電機(jī)性能的限制。 但它的結(jié)構(gòu)和控制簡單、容易調(diào)整，故在速度和精度 要求不太高的場合具有一定的使用價(jià)值。1 1.步進(jìn)電機(jī)的種類 步進(jìn)電機(jī)的分類方式很多，常見的分類方式有按產(chǎn)生力矩的原理、按輸出力矩的大小以及按定子和轉(zhuǎn)子的數(shù)量進(jìn)行分類等。根

2、據(jù)不同的分類方式，可將步進(jìn)電機(jī)分為多種類型，如表 5-15-1 所示。表 5-15-1 步進(jìn)電機(jī)的分類分類方式具體類型(1)(1) 反應(yīng)式：轉(zhuǎn)子無繞組，由被激磁的定子繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行按力矩產(chǎn)生的原理(2)(2)激磁式：定、轉(zhuǎn)子均有激磁繞組(或轉(zhuǎn)子用永久磁鋼)，由電磁力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行(1)(1)伺服式：輸出力矩在百分之幾之幾至十分之幾( N N m)m)只能按輸出力矩大小驅(qū)動較小的負(fù)載，要與液壓扭矩放大器配用，才能驅(qū)動機(jī)床工作臺等較大的負(fù)載（2 2）功率式：輸出力矩在 5-505-50 N N m m 以上，可以直接驅(qū)動機(jī)床工作臺等較大的負(fù)載按定子數(shù)（1 1）單定子式（2 2）雙定子

3、式（3 3）三定子式（4 4）多定子式（1 1）徑向分布式：電機(jī)各相按圓周依次排列按各相繞組分布（2 2）軸向分布式：電機(jī)各相按軸向依次排列2.2.步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)目前，我國使用的步進(jìn)電機(jī)多為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。在反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)中，有軸向分相和徑向分相兩種，如表 5-15-1 所述。圖 5-25-2 是一典型的單定子、徑向分相、反應(yīng)式伺服步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。它與普通電機(jī)一樣，分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分，其中定子又分為定子鐵心和定子繞組。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成，其形狀如圖中所示。定子繞組是繞置在定子鐵心6 6 個(gè)均勻分布的齒上的線圈，在直徑方向上相對的兩個(gè)齒上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相控制繞組。 圖

4、5-25-2 所示的步進(jìn)電機(jī)可構(gòu)成三相控制繞組， 故也稱三相步進(jìn)電機(jī)。 若任一相繞組通電， 便形成一組定子磁極， 其方向即圖中所示的 NSNS 極。在定子的每個(gè)磁極上，即定子鐵心上的每個(gè)齒上又開了5 5 個(gè)小齒，齒槽等寬，齒間夾角為 9 9。，轉(zhuǎn)子上沒有繞組，只有均勻分布的4040 個(gè)小齒，齒槽也是等寬的，齒間夾角也是 9 9, ,與磁極上的小齒一致。 此外，三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯(cuò)開 1/31/3 齒距，如圖 5-35-3 所示。當(dāng) A A 相磁極上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒對齊時(shí)，B B 相磁極上的齒剛好超前（或滯后）轉(zhuǎn)子齒 1/31/3 齒距角，C C 相磁極齒超前（或滯后）轉(zhuǎn)子

5、齒 2/32/3 齒距角。圖 5-25-2 單定子徑向分相反應(yīng)式伺服步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖圖 5-35-3 步進(jìn)電機(jī)的齒距圖 5-45-4 是一個(gè)五定子、軸向分相、反應(yīng)式伺服步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。從圖中可以看出，步進(jìn)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子在軸向分為五段，每一段都形成獨(dú)立的一相定子鐵心、定子繞組和轉(zhuǎn)子，圖 5-55-5 所示的是其中的一段。各段定子鐵心形如內(nèi)齒輪，由硅鋼片疊成。轉(zhuǎn)子形如外齒輪，也由硅鋼片制成。各段定子上的齒在圓周方向均勻分布，彼此之間錯(cuò)開1/51/5 齒距，其轉(zhuǎn)子齒彼此不錯(cuò)位。當(dāng)設(shè)置在定子鐵心環(huán)形槽內(nèi)的定子繞組通電時(shí)，形成一相環(huán)形繞組， 構(gòu)成圖中所示的磁力線。除上面介紹的兩種形式的反應(yīng)式步

6、進(jìn)電機(jī)之外，常見的步進(jìn)電機(jī)還有永磁式步進(jìn)電機(jī)和永磁反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，它們的結(jié)構(gòu)雖不相同，但工作原理相同。3.3.步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)的工作原理實(shí)際上是電磁鐵的作用原理。圖 5-65-6 是一種最簡單的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，下面以它為例來說明步進(jìn)電機(jī)的工作原理。圖 5-6(a)5-6(a)中，當(dāng) A A 相繞組通以直流電流時(shí)， 根據(jù)電磁學(xué)原理，便會在 AAAA 方向上產(chǎn)生一磁場，在磁場電磁力的作用下，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的齒與定子AAAA 磁極上的齒對齊。若 A A 相斷電，B B 相通電，這時(shí)新的磁場其電磁力又吸引轉(zhuǎn)子的兩極與BBBB 磁極齒對齊，轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針轉(zhuǎn)過6060。通常，步進(jìn)電機(jī)繞組的通斷電

7、狀態(tài)每改變一次，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度a a 稱為步距角。因此，圖 5-6(a)5-6(a)所小步進(jìn)電機(jī)的步距角a a 等于 6060。如果控制線路不停地按 A A B B” C C” A A的順序控制步進(jìn)電機(jī)繞組的通斷電，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子便不停地順時(shí)針轉(zhuǎn)動。若通電順序改為ATCTBTAATCTBTA，同理，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針不停地轉(zhuǎn)動。端板密路定于轉(zhuǎn)子線圈機(jī)充圖 5-45-4 五定子徑向分相反應(yīng)式伺服步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖圖 5-55-5 一段定子、轉(zhuǎn)子及磁回路上面所述的這種通電方式稱為三相三拍。還有一種三相六拍的通電方式，它的通電順序是：順時(shí)針為 A A ABAB B B r r BCBC r r

8、 C C CACA r r A A - -;逆時(shí)針為 A A ACAC CCBCCB B B BABA r r A A 。若以三相六拍通電方式工作，當(dāng)A A 相通電轉(zhuǎn)為 A A 和 B B 同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的磁極將同時(shí)受到A A 相繞組產(chǎn)生的磁場和 B B 相繞組產(chǎn)生的磁場的共同吸引，轉(zhuǎn)子的磁極只好停在A A 和 B B 兩相磁極之間，這時(shí)它的步距角 a a 等于 3030 。當(dāng)由 A A 和 B B 兩相同時(shí)通電轉(zhuǎn)為 B B 相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子磁 極再沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 3030。，與 B B 相磁極對齊。其余依此類推。采用三相六拍通電方式，可使步 距角 a a 縮小一半。圖 5-65-6 步進(jìn)電機(jī)工

9、作原理圖圖 5-6(b)5-6(b)中的步進(jìn)電機(jī)，定子仍是 A A , , B B , , C C 三相，每相兩極，但轉(zhuǎn)子不是兩個(gè)磁極而是四個(gè)。當(dāng) A A 相通電時(shí)，是 1 1 和 3 3 極與 A A 相的兩極對齊，很明顯，當(dāng) A A 相斷電、B B 相通電時(shí)，2 2 和 4 4 極將與 B B 相兩極對齊。這樣，在三相三拍的通電方式中，步距角 a a 等于 3030 , ,在三相六拍通電方式中，步距角a a 則為 1515 。綜上所述，可以得到如下結(jié)論：(1)(1) 步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個(gè)確定的角度，即步進(jìn)電機(jī)的步距角 a a；(2)(2) 改變步進(jìn)電機(jī)定

10、子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變； 步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高；(4)(4)步進(jìn)電機(jī)步距角 a a 與定子繞組的相數(shù) m m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù) z z、通電方式 k k 有關(guān)，可用下式表示：a - 360/(成方)(5-1)(5-1)式中 m m 相 m m 拍時(shí)，k=1k=1 ; ; m m 相 2m2m 拍時(shí)，k=2k=2 ; ;依此類推。對于圖 5-25-2 所示的單定子、徑向分相、反應(yīng)式伺服步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)它以三相三拍通電方式工作 時(shí)，其步距角為= 360。/(mzk = 360 /(3 40 1) = 3*若按

11、三相六拍通電方式工作，則步距角為a = 36QP/(mzk)=36/(3 40 2) = 1.54.4.步進(jìn)電機(jī)的主要特性(1)(1) 步距角。步進(jìn)電機(jī)的步距角是反映步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。它是決定步進(jìn)伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的重要參數(shù)。數(shù)控機(jī)床中常見的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的步距角一般為。步距角越小，數(shù)控機(jī)床的控制精度越高。(2)(2) 矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 M Mjmax和啟動轉(zhuǎn)矩 M Mq。矩角特性是步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)重要特性，它是指步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角 的變化規(guī)律。(3)(3) 啟動頻率 f fq?？蛰d時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動，并進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行所允許的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率。 若啟動時(shí)頻率大于突跳頻率，步進(jìn)電機(jī)就不能正常啟動?？蛰d啟動時(shí)，步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。(4)(4) 連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率 f fmaxo步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，它所能接受的，即保證不丟步運(yùn)行的極限頻率，稱為最高工作頻率。它是決定定子繞組通電狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，它決定了步進(jìn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。(5)(5) 加減速特性。步進(jìn)電機(jī)的加減速特性是描述步進(jìn)電機(jī)由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中， 定子繞組通電狀態(tài)的變化