項(xiàng)目八 任務(wù)4 認(rèn)識(shí)控制電機(jī)之步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

項(xiàng)目八：認(rèn)識(shí)單相異步電動(dòng)機(jī)和控制電機(jī)12認(rèn)識(shí)控制電機(jī)之伺服電動(dòng)機(jī)34認(rèn)識(shí)單相異步電動(dòng)機(jī)認(rèn)識(shí)控制電機(jī)之測(cè)速發(fā)電機(jī)認(rèn)識(shí)控制電機(jī)之步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因慣性小、反應(yīng)快和速度高而應(yīng)用最廣。應(yīng)用：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)，是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電機(jī)。作為執(zhí)行元件被廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。分類：旋轉(zhuǎn)型又分為反應(yīng)式（磁阻式）、永磁式、感應(yīng)式三種。每輸入一個(gè)脈沖，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。角位移或線位移正比于輸入脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)；轉(zhuǎn)速n正比于脈沖信號(hào)的頻率。特點(diǎn)：按運(yùn)行方式可分為：旋轉(zhuǎn)型、直線型?？侩姶呸D(zhuǎn)矩工作靠磁阻轉(zhuǎn)矩工作按勵(lì)磁相數(shù)可分為單相、兩相、三相和多相等形式。不過，反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒有單相和兩相的形式。任務(wù)4、認(rèn)識(shí)控制電機(jī)之步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)U2U1W2W1V1V21.定子2.轉(zhuǎn)子3.氣隙一、三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)定子和轉(zhuǎn)子的鐵心均由硅鋼片疊制成凸極結(jié)構(gòu)。定子上均勻分布著六個(gè)磁極，磁極上繞有控制繞組，也叫勵(lì)磁繞組。兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一相，三相繞組星形聯(lián)結(jié)。轉(zhuǎn)子鐵心上沒有繞組，具有多個(gè)均勻分布的齒，轉(zhuǎn)子齒寬等于定子極靴寬。1423U1U2V1V2W2W1轉(zhuǎn)子齒數(shù)為4的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖定子磁極上套有星形連接的三相勵(lì)磁繞組，兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一相。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，具有4個(gè)均勻分布的齒，轉(zhuǎn)子齒寬等于定子極靴寬。一、三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)反應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相控制繞組的通電順序及頻率大小，通常由電子邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。二、三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理磁力線總是通過磁阻最小的路徑閉合，磁阻最小的路徑通常是變化的，因此磁力線常常會(huì)扭曲。在磁力線扭曲時(shí)會(huì)產(chǎn)生切向力，由切向力形成的磁阻轉(zhuǎn)矩，會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的基本原理：

單三拍控制方式“拍”指定子繞組的一種通電狀態(tài)換到另一種通電狀態(tài)。每運(yùn)行“一拍”轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。電脈沖信號(hào)是定子U、V、W三相繞組輪流通入的直流電流?！皢巍敝该看沃挥幸幌嗫刂评@組通電?！叭摹敝附?jīng)過三次切換控制繞組的電脈沖為一個(gè)循環(huán)。1423142314231423U1U2V1V2W2W11.三相單三拍運(yùn)行同一時(shí)間段內(nèi)，只有一相控制繞組通電，通電順序?yàn)椋篣相→V相→W相→U相……哪相繞組通電，氣隙中就生成以哪相為軸線的磁場(chǎng)，吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。①U相通電1423U1U2V1V2W2W11423②

V相通電U1U2V1V2W2W1③W相通電14231423當(dāng)U相通入電脈沖時(shí)，U1、U2成為電磁鐵的N、S極。由于磁路要沿著磁阻最小的路徑閉合，將使轉(zhuǎn)子齒1、3和定子極U1、U2對(duì)齊，即形成U1、U2軸線方向的磁通。U相通電結(jié)束，V相通入電脈沖，V1、V2成為N、S極，使轉(zhuǎn)子齒2、4和定子極V1、V2對(duì)齊，轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過30°。同理，當(dāng)W相通入電脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)子又順時(shí)針轉(zhuǎn)過30°。一步兩步三步三相控制繞組通入電脈沖的順序?yàn)閁→V→W→U……時(shí)，轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，步距角為30°。當(dāng)通電順序?yàn)閁→W→V→U……時(shí)，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，步距角仍為30°。單拍運(yùn)行方式在一相繞組斷電瞬間，另一繞組才開始通電，容易造成失步，并且由單一繞組吸引轉(zhuǎn)子，容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近來(lái)回?cái)[動(dòng)（振蕩），運(yùn)行穩(wěn)定性差，實(shí)際上很少采用。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與繞組通電方向相同，轉(zhuǎn)速取決于電脈沖的頻率，頻率越高，轉(zhuǎn)速越高。1.三相單三拍運(yùn)行1423142314231423U1U2V1V2W2W1①U相通電1423U1U2V1V2W2W11423②

V相通電U1U2V1V2W2W1③W相通電14231423一步兩步三步2.三相單－雙六拍運(yùn)行通電順序：U→UV→V→VW→W→WU→U……1423U1U2V1V2W2W111423U1U2V1V2W2W121423U1U2V1V2W2W131423U1U2V1V2W2W141423U1U2V1V2W2W151423U1U2V1V2W2W161423步距角：θ=15°三相繞組經(jīng)6次電脈沖換接完成一個(gè)循環(huán)，故稱為六拍控制。六拍控制在電脈沖換接時(shí)總有一相繞組通電，工作比較穩(wěn)定。3.三相雙三拍運(yùn)行通電順序：UV相→VW相→WU相→UV相……

1423U1U2V1V2W2W1①UV相通電14231423U1U2V1V2W2W1②VW相通電14231423U1U2V1V2W2W1③WU相通電142314231423雙三拍運(yùn)行時(shí)，在電脈沖換接過程中總有一相繞組保持通電狀態(tài)，提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性。一步兩步三步雙三拍運(yùn)行的原理和步距角（30°）與單三拍運(yùn)行時(shí)相同。雙三拍運(yùn)行的轉(zhuǎn)子位置，與六拍通電方式時(shí)兩相繞組同時(shí)通電時(shí)的情況相同。

步距角計(jì)算公式：θ=360°zN其中，z

為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，N為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行拍數(shù)。

轉(zhuǎn)速：n=60fzN三、步距角與轉(zhuǎn)速的計(jì)算當(dāng)運(yùn)行拍數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)一定時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速只取決于電脈沖的頻率，而與電源、負(fù)載、環(huán)境等因素?zé)o關(guān)。轉(zhuǎn)子齒數(shù)過少，會(huì)造成步距角太大，不能滿足精度要求。為減小步距角，通常要增加轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，并將定子磁極和轉(zhuǎn)子都加工成齒形結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子齒沿轉(zhuǎn)子圓周均勻分布，齒與槽等寬。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，這個(gè)角度被稱為步距角。例題：三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)z=40，求步距角θ，并說明采用何種控制方式精度最高。②采用三相六拍方式時(shí)：θ=360°zN360°40×3==3°θ=360°zN360°40×6==1.5°①采用單/雙三拍方式時(shí)：結(jié)論：采用三相六拍控制方式，精度最高。因?yàn)椴骄嘟窃叫?，精度越高，而六拍方式比三拍方式的步距角要小。三、步距角與轉(zhuǎn)速的計(jì)算四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)配備專用驅(qū)動(dòng)電源，由驅(qū)動(dòng)電源和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成一套伺服裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源主要包括變頻信號(hào)源、脈沖分配器和脈沖放大器三個(gè)部分。驅(qū)動(dòng)電源步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、精確度高、調(diào)速范圍大，起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，其轉(zhuǎn)速不受電壓和負(fù)載變化的影響，也不受環(huán)境條件溫度、壓力等的限制，僅與脈沖頻率成正比，而且無(wú)積累誤差。五、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床、繪圖儀、自動(dòng)記錄儀表、檢測(cè)儀表和數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置上。數(shù)控線切割機(jī)床十字拖板示意圖數(shù)控線切割機(jī)床是一種加工復(fù)雜形狀的金屬?zèng)_?；蛄慵臋C(jī)床。它由專門計(jì)算機(jī)控制，利用鉬絲與被加工工件之間電火花放電所產(chǎn)生的電蝕現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行加工。機(jī)床加工過程中，鉬絲的位置是固定的，工件固定在十字拖板上，如上圖所示，通過十字拖板的縱橫運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)加工工件的切割。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在數(shù)控線切割機(jī)床上的應(yīng)用：數(shù)控線切割機(jī)床加工零件時(shí)，先根據(jù)圖紙上零件的形狀、尺寸和加工工序編制計(jì)算機(jī)程序，并將該程序