步進(jìn)電機(jī)的選擇與使用

控制電機(jī)的選擇與使用

用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的具有特殊性能的小功率電機(jī)，主要在控制系統(tǒng)中用作信號(hào)的檢測(cè)（測(cè)量）、傳遞、執(zhí)行、放大或轉(zhuǎn)換等。執(zhí)行元件：交、直流伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度）測(cè)量元件：交、直流測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)、自整角機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器（機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)）

數(shù)控加工中心特殊電機(jī)的應(yīng)用圖片激光打印機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的基本要求

（1）無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象：即要求控制電機(jī)在有控制信號(hào)時(shí)迅速轉(zhuǎn)動(dòng),而當(dāng)控制信號(hào)消失時(shí)必須立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂菩盘?hào)消失后,電機(jī)仍然轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象稱(chēng)為自轉(zhuǎn),自動(dòng)控制系統(tǒng)不允許有“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。（2）空載始動(dòng)電壓低:電機(jī)空載時(shí),轉(zhuǎn)子從靜止到連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的最小控制電壓稱(chēng)為始動(dòng)電壓。始動(dòng)電壓越小,電機(jī)的靈敏度越高。（3）機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好:線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高系統(tǒng)的控制精度,能在寬廣的范圍內(nèi)平滑穩(wěn)定地調(diào)速。（4）快速響應(yīng)性好:即要求電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)要小,堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩要大,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小,轉(zhuǎn)速能隨控制電壓的變化而迅速變化。交流伺服電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)：有控制電壓時(shí)立即旋轉(zhuǎn)，無(wú)控制電壓時(shí)立即停轉(zhuǎn)作用：將輸入的電壓信號(hào)（即控制電壓）轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度輸出。分類(lèi)：同步、異步7.1.2交流伺服異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)：兩相異步電動(dòng)機(jī)（與單相異步電動(dòng)機(jī)相似）

組成：定子：勵(lì)磁繞組F、控制繞組C

轉(zhuǎn)子

鼠籠式空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)剖面松下伺服電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)

1）高電阻率導(dǎo)條的籠型轉(zhuǎn)子高電阻率導(dǎo)條的籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與普通籠型異步電動(dòng)機(jī)的類(lèi)似,但是為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,轉(zhuǎn)子做得細(xì)而長(zhǎng)。轉(zhuǎn)子籠條和端環(huán)既可采用高電阻率的導(dǎo)電材料(如黃銅、青銅等)制造,也可采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。非磁性空心杯形轉(zhuǎn)子非磁性空心杯形轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)如圖7-7所示。定子分外定子鐵心和內(nèi)定子鐵心兩部分,由硅鋼片沖制后疊成。外定子鐵心槽中放置空間相距90°電角度的兩相繞組。內(nèi)定子鐵心中不放繞組,僅作為磁路的一部分,以減小主磁通磁路的磁阻。空心杯形轉(zhuǎn)子由非磁性鋁或鋁合金制成,放在內(nèi)、外定子鐵心之間,并固定在轉(zhuǎn)軸上。

1—機(jī)殼;2—外定子;3—杯形轉(zhuǎn)子;4—內(nèi)定子;5—端蓋圖7-7非磁性空心杯形轉(zhuǎn)子在單相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)結(jié)束后，單相電流產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)仍然使電機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。如果交流伺服電機(jī)工作時(shí)將控制繞組斷電，此時(shí)伺服電機(jī)要求電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，如果伺服電機(jī)不能停止轉(zhuǎn)動(dòng)，就產(chǎn)生“自轉(zhuǎn)”，就失去控制的目的?！白赞D(zhuǎn)”問(wèn)題2、交流伺服電動(dòng)機(jī)工作原理

從單相電機(jī)的機(jī)械特性可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻足夠大時(shí)，則Sm＞1。此時(shí)，單相脈動(dòng)磁場(chǎng)分解成兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其中反向磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩比正向磁場(chǎng)產(chǎn)生的大，因此，電機(jī)總的電磁轉(zhuǎn)矩就為負(fù)值（制動(dòng)轉(zhuǎn)矩），電機(jī)就能快速停轉(zhuǎn)。“自轉(zhuǎn)”問(wèn)題的克服轉(zhuǎn)子電阻增大后的轉(zhuǎn)矩特性效果3、交流伺服電動(dòng)機(jī)控制方式

（3）幅相控制：同時(shí)改變控制電壓UC的大小和相位。

（1）幅值控制：僅改變控制電壓Uc振幅的大小，相位角保持不變。=UC/UF

從0-1變化時(shí),氣隙磁場(chǎng)從脈動(dòng)磁場(chǎng)—橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)—圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。電機(jī)轉(zhuǎn)速越來(lái)越高。（2）相位控制：通過(guò)移相器改變控制電壓UC的相位，幅值不變。

UC=UF，相位差=0時(shí),氣隙磁場(chǎng)為脈動(dòng)磁場(chǎng)；=90o時(shí),氣隙磁場(chǎng)為圓形磁場(chǎng)。

能力要求：1、能分析步進(jìn)電機(jī)的工作原理與控制過(guò)程

2、能根據(jù)使用場(chǎng)合選擇合適的步進(jìn)電機(jī)知識(shí)要求：1、了解步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)2、熟悉步進(jìn)電機(jī)的工作原理任務(wù)3步進(jìn)電機(jī)(stepmotor)的選擇與使用步進(jìn)電機(jī)—脈沖電機(jī)

給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，它就轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度或移動(dòng)一定的距離。由于其輸出的角位移或直線位移可以不是連續(xù)的，因此稱(chēng)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(脈沖電動(dòng)機(jī))。目前應(yīng)用最多的是反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（磁阻式）。電脈沖信號(hào)→角位移或直線位移優(yōu)點(diǎn)：角位移或線位移與脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速n或線速度v與脈沖頻率成正比。在負(fù)載能力范圍內(nèi)，這種關(guān)系不會(huì)因電壓波動(dòng)、負(fù)載變化、溫度變化等原因而變化，其控制性能很好。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)廣泛用于數(shù)控機(jī)床、打印機(jī)等控制系統(tǒng)中。

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)：定子：6個(gè)磁極，分為3相，每個(gè)磁極上都套有一個(gè)繞組轉(zhuǎn)子：均勻分布的4個(gè)齒，無(wú)繞組分類(lèi)：?jiǎn)稳摹坞p六拍和雙三拍“單三拍”名詞解釋?zhuān)簡(jiǎn)危好看沃挥幸幌嗫刂评@組通電。三拍：一個(gè)工作周期定子繞組通電改變3次A（U）相繞組通電時(shí)，B、C兩相不通電，氣隙中生成以A-A’為軸線的磁場(chǎng)。由于磁力線總是要通過(guò)磁阻最小的路徑閉合，將使轉(zhuǎn)子齒1、3和定子A-A’對(duì)齊，即產(chǎn)生A-A’軸線方向的磁通。如果A相繞組不斷電，1、3兩轉(zhuǎn)子齒就一直被磁極A-A’吸引住而不改變其位置，即轉(zhuǎn)子具有自鎖能力。B相繞組通電時(shí)，A、C兩相不通電，氣隙中生成以B-B’為軸線的磁場(chǎng)。由于磁力線總是要通過(guò)磁阻最小的路徑閉合，將使離磁極B-B’最近的轉(zhuǎn)子齒2、4和定子B-B’對(duì)齊，即產(chǎn)生B-B’軸線方向的磁通。C相繞組通電時(shí)，A、B兩相不通電，氣隙中生成以C-C’為軸線的磁場(chǎng)。由于磁力線總是要通過(guò)磁阻最小的路徑閉合，將使離磁極C-C’最近的轉(zhuǎn)齒1、3和定子C-C’對(duì)齊，即產(chǎn)生C-C’軸線方向的磁通。1、單三拍控制

（a）A(U)相通電（b）B相通電（c）C相通電ZR——轉(zhuǎn)子齒數(shù)N——步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)問(wèn)題與討論由于單獨(dú)一相控制繞組通電時(shí)容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近來(lái)回?cái)[動(dòng)——振蕩，會(huì)使運(yùn)行不穩(wěn)定，因此實(shí)際上很少采用三相單三拍的運(yùn)行方式。（a）A相通電（b）B相通電（c）C相通電每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度？電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向？

每個(gè)通電狀態(tài)都有兩相控制繞組同時(shí)通電，通電狀態(tài)切換時(shí)總有一相繞組不斷電，不會(huì)產(chǎn)生振蕩。圖通電順序?yàn)锳BBCCAAB。A、B兩相通電時(shí)，兩磁場(chǎng)的合成磁場(chǎng)軸線與未通電的C-C’相繞組軸線重合，轉(zhuǎn)子在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。同理，C、A兩相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過(guò)30°?？梢?jiàn)，雙三拍運(yùn)行方式和單三拍運(yùn)行方式的原理相同，步距角也相同。2、雙三拍控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度ZR——轉(zhuǎn)子齒數(shù)N——步進(jìn)電機(jī)的拍數(shù)？N=MC3、單-雙六拍工作方式A相首先通電，轉(zhuǎn)子齒1、3穩(wěn)定于AA′磁極軸線，圖(a)；在A相繼續(xù)通電的情況下，接通B相。這時(shí)定子BB′磁極對(duì)轉(zhuǎn)子齒2、4產(chǎn)生拉力，使轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，但此時(shí)AA′極繼續(xù)拉住齒1、3,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個(gè)磁拉力平衡為止，轉(zhuǎn)子位置如圖(b)；轉(zhuǎn)子從A位置順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)15°。

A相斷電，B相繼續(xù)通電，這時(shí)轉(zhuǎn)子齒2、4又和BB′磁極對(duì)齊而平衡，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過(guò)15°角，如圖(c)所示。在B相通電情況下，C相又通電，則BB′和CC′共同作用使轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過(guò)15°，如圖(d)。依此規(guī)律，按A—AB—B—BC—C—CA—A的順序通電，轉(zhuǎn)子便順時(shí)針一步步轉(zhuǎn)動(dòng)。電流換接六次，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，步距角θS=15°。如按A—AC—C—CB—B—BA—A的順序通電，則電機(jī)逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。ZR-轉(zhuǎn)子齒數(shù)N-步進(jìn)電機(jī)的拍數(shù)C-??

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的模型圖，其步距角太大。實(shí)際應(yīng)用中，為了保證加工精度，一般步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子齒數(shù)較多（如40個(gè)）。最小步距角可小至0.5°。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速nf——脈沖頻率

在右圖中，三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子上有六個(gè)極，上面裝有控制繞組聯(lián)成U、V、W三相。轉(zhuǎn)子圓周上均勻分布若干個(gè)小齒，定子每個(gè)磁極靴上也有若干個(gè)小齒。以轉(zhuǎn)子齒數(shù)zr=40，相數(shù)m=3，一相繞組通電時(shí)，在氣隙圓周上形成的磁極數(shù)2p=2，三相單三拍運(yùn)行為例：每一齒距的空間角每一極距的空間角每一極距所占的齒數(shù)小步距角的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)當(dāng)U-U′極下的定、轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊時(shí)，V-V′極的定子齒和轉(zhuǎn)子齒必然錯(cuò)開(kāi)1/3齒距，即為3°，如圖所示的展開(kāi)圖。由于每一極距所占的齒數(shù)不是整數(shù)，由上圖可以看出，若斷開(kāi)U相控制繞組而接通V相控制繞組，這時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生沿V-V′極軸線方向的磁場(chǎng)，因磁通力圖走磁阻最小路徑閉合，就使轉(zhuǎn)子受到同步轉(zhuǎn)矩的作用而轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)1/3齒距（3°），直到使V-V′極下的定子齒和轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊。相應(yīng)地U-U′極和W-W′極下的定子齒又分別和轉(zhuǎn)子齒相錯(cuò)1/3齒距。按此順序連續(xù)不斷地通電，轉(zhuǎn)子便連續(xù)不斷地一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)。若采用三相單、雙六拍通電方式運(yùn)行，即按U-UV-V-VW-W-WU-U順序循環(huán)通電，同樣步距角也要減少一半，即每一脈沖時(shí)轉(zhuǎn)子僅轉(zhuǎn)動(dòng)1.5°。如果脈沖頻率很高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制繞組中送入的是連續(xù)脈沖，各相繞組不斷地輪流通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不是一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，而是連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。轉(zhuǎn)子齒數(shù)應(yīng)符合下式條件：式中:K——正整數(shù)；2p——一相繞組通電時(shí)在氣隙中形成的磁極數(shù)；m——定子相數(shù)。例如上例中,由于2p=1,m=3,可選K=7,則得Zr=40。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角公式為:式中:N——拍數(shù),N=mC;C——狀態(tài)系數(shù),采用單三拍或雙三拍方時(shí),C=1,采用單、雙六拍方式時(shí),C=2。