步進電機的選擇與使用

控制電機的選擇與使用

用于自動控制系統(tǒng)的具有特殊性能的小功率電機，主要在控制系統(tǒng)中用作信號的檢測（測量）、傳遞、執(zhí)行、放大或轉換等。執(zhí)行元件：交、直流伺服電動機、步進電動機（將電信號轉換成軸上的角位移或角速度）測量元件：交、直流測速發(fā)動機、自整角機和旋轉變壓器（機械信號轉變成電信號）

數控加工中心特殊電機的應用圖片激光打印機自動控制系統(tǒng)對伺服電動機的基本要求

（1）無“自轉”現象：即要求控制電機在有控制信號時迅速轉動,而當控制信號消失時必須立即停止轉動?？刂菩盘栂Ш?電機仍然轉動的現象稱為自轉,自動控制系統(tǒng)不允許有“自轉”現象。（2）空載始動電壓低:電機空載時,轉子從靜止到連續(xù)轉動的最小控制電壓稱為始動電壓。始動電壓越小,電機的靈敏度越高。（3）機械特性和調節(jié)特性的線性度好:線性的機械特性和調節(jié)特性有利于提高系統(tǒng)的控制精度,能在寬廣的范圍內平滑穩(wěn)定地調速。（4）快速響應性好:即要求電機的機電時間常數要小,堵轉轉矩要大,轉動慣量要小,轉速能隨控制電壓的變化而迅速變化。交流伺服電動機特點：有控制電壓時立即旋轉，無控制電壓時立即停轉作用：將輸入的電壓信號（即控制電壓）轉換成軸上的角位移或角速度輸出。分類：同步、異步7.1.2交流伺服異步電動機結構實質：兩相異步電動機（與單相異步電動機相似）

組成：定子：勵磁繞組F、控制繞組C

轉子

鼠籠式空心杯形轉子伺服電動機剖面松下伺服電動機及驅動

1）高電阻率導條的籠型轉子高電阻率導條的籠型轉子結構與普通籠型異步電動機的類似,但是為了減小轉子的轉動慣量,轉子做得細而長。轉子籠條和端環(huán)既可采用高電阻率的導電材料(如黃銅、青銅等)制造,也可采用鑄鋁轉子。非磁性空心杯形轉子非磁性空心杯形轉子的結構如圖7-7所示。定子分外定子鐵心和內定子鐵心兩部分,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。空心杯形轉子由非磁性鋁或鋁合金制成,放在內、外定子鐵心之間,并固定在轉軸上。

1—機殼;2—外定子;3—杯形轉子;4—內定子;5—端蓋圖7-7非磁性空心杯形轉子在單相異步電動機啟動結束后，單相電流產生的脈動磁場仍然使電機產生電磁轉矩。如果交流伺服電機工作時將控制繞組斷電，此時伺服電機要求電機停止轉動，如果伺服電機不能停止轉動，就產生“自轉”，就失去控制的目的?！白赞D”問題2、交流伺服電動機工作原理

從單相電機的機械特性可知，當轉子電阻足夠大時，則Sm＞1。此時，單相脈動磁場分解成兩個旋轉磁場，其中反向磁場產生的電磁轉矩比正向磁場產生的大，因此，電機總的電磁轉矩就為負值（制動轉矩），電機就能快速停轉?！白赞D”問題的克服轉子電阻增大后的轉矩特性效果3、交流伺服電動機控制方式

（3）幅相控制：同時改變控制電壓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,氣隙磁場從脈動磁場—橢圓形旋轉磁場—圓形旋轉磁場。電機轉速越來越高。（2）相位控制：通過移相器改變控制電壓UC的相位，幅值不變。

UC=UF，相位差=0時,氣隙磁場為脈動磁場；=90o時,氣隙磁場為圓形磁場。

能力要求：1、能分析步進電機的工作原理與控制過程

2、能根據使用場合選擇合適的步進電機知識要求：1、了解步進電機的結構2、熟悉步進電機的工作原理任務3步進電機(stepmotor)的選擇與使用步進電機—脈沖電機

給步進電動機輸入一個電脈沖信號時，它就轉過一定的角度或移動一定的距離。由于其輸出的角位移或直線位移可以不是連續(xù)的，因此稱為步進電動機(脈沖電動機)。目前應用最多的是反應式步進電動機（磁阻式）。電脈沖信號→角位移或直線位移優(yōu)點：角位移或線位移與脈沖數成正比，其轉速n或線速度v與脈沖頻率成正比。在負載能力范圍內，這種關系不會因電壓波動、負載變化、溫度變化等原因而變化，其控制性能很好。步進電動機廣泛用于數控機床、打印機等控制系統(tǒng)中。

反應式步進電機結構：定子：6個磁極，分為3相，每個磁極上都套有一個繞組轉子：均勻分布的4個齒，無繞組分類：單三拍、單雙六拍和雙三拍“單三拍”名詞解釋：單：每次只有一相控制繞組通電。三拍：一個工作周期定子繞組通電改變3次A（U）相繞組通電時，B、C兩相不通電，氣隙中生成以A-A’為軸線的磁場。由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，將使轉子齒1、3和定子A-A’對齊，即產生A-A’軸線方向的磁通。如果A相繞組不斷電，1、3兩轉子齒就一直被磁極A-A’吸引住而不改變其位置，即轉子具有自鎖能力。B相繞組通電時，A、C兩相不通電，氣隙中生成以B-B’為軸線的磁場。由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，將使離磁極B-B’最近的轉子齒2、4和定子B-B’對齊，即產生B-B’軸線方向的磁通。C相繞組通電時，A、B兩相不通電，氣隙中生成以C-C’為軸線的磁場。由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，將使離磁極C-C’最近的轉齒1、3和定子C-C’對齊，即產生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——轉子齒數N——步進電機的相數問題與討論由于單獨一相控制繞組通電時容易使轉子在平衡位置附近來回擺動——振蕩，會使運行不穩(wěn)定，因此實際上很少采用三相單三拍的運行方式。（a）A相通電（b）B相通電（c）C相通電每拍轉子轉過的角度？電機的轉速和轉向？

每個通電狀態(tài)都有兩相控制繞組同時通電，通電狀態(tài)切換時總有一相繞組不斷電，不會產生振蕩。圖通電順序為ABBCCAAB。A、B兩相通電時，兩磁場的合成磁場軸線與未通電的C-C’相繞組軸線重合，轉子在磁阻轉矩的作用下轉動。同理，C、A兩相通電時，轉子又轉過30°。可見，雙三拍運行方式和單三拍運行方式的原理相同，步距角也相同。2、雙三拍控制轉子轉過的角度ZR——轉子齒數N——步進電機的拍數？N=MC3、單-雙六拍工作方式A相首先通電，轉子齒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。這時定子BB′磁極對轉子齒2、4產生拉力，使轉子順時針轉動，但此時AA′極繼續(xù)拉住齒1、3,轉子轉到兩個磁拉力平衡為止，轉子位置如圖(b)；轉子從A位置順時針轉過15°。

A相斷電，B相繼續(xù)通電，這時轉子齒2、4又和BB′磁極對齊而平衡，轉子又轉過15°角，如圖(c)所示。在B相通電情況下，C相又通電，則BB′和CC′共同作用使轉子又轉過15°，如圖(d)。依此規(guī)律，按A—AB—B—BC—C—CA—A的順序通電，轉子便順時針一步步轉動。電流換接六次，磁場旋轉一周，步距角θS=15°。如按A—AC—C—CB—B—BA—A的順序通電，則電機逆時針方向轉動。ZR-轉子齒數N-步進電機的拍數C-??

步進電動機的模型圖，其步距角太大。實際應用中，為了保證加工精度，一般步進電動機的定、轉子齒數較多（如40個）。最小步距角可小至0.5°。步進電動機的轉速nf——脈沖頻率

在右圖中，三相反應式步進電動機定子上有六個極，上面裝有控制繞組聯成U、V、W三相。轉子圓周上均勻分布若干個小齒，定子每個磁極靴上也有若干個小齒。以轉子齒數zr=40，相數m=3，一相繞組通電時，在氣隙圓周上形成的磁極數2p=2，三相單三拍運行為例：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小步距角的三相反應式步進電動機當U-U′極下的定、轉子齒對齊時，V-V′極的定子齒和轉子齒必然錯開1/3齒距，即為3°，如圖所示的展開圖。由于每一極距所占的齒數不是整數，由上圖可以看出，若斷開U相控制繞組而接通V相控制繞組，這時步進電動機中產生沿V-V′極軸線方向的磁場，因磁通力圖走磁阻最小路徑閉合，就使轉子受到同步轉矩的作用而轉動，轉子按逆時針方向轉動1/3齒距（3°），直到使V-V′極下的定子齒和轉子齒對齊。相應地U-U′極和W-W′極下的定子齒又分別和轉子齒相錯1/3齒距。按此順序連續(xù)不斷地通電，轉子便連續(xù)不斷地一步一步轉動。若采用三相單、雙六拍通電方式運行，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，即每一脈沖時轉子僅轉動1.5°。如果脈沖頻率很高，步進電動機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，步進電動機不是一步一步地轉動，而是連續(xù)不斷地轉動，它的轉速與脈沖頻率成正比。轉子齒數應符合下式條件：式中:K——正整數；2p——一相繞組通電時在氣隙中形成的磁極數；m——定子相數。例如上例中,由于2p=1,m=3,可選K=7,則得Zr=40。步進電動機的步距角公式為:式中:N——拍數,N=mC;C——狀態(tài)系數,采用單三拍或雙三拍方時,C=1,采用單、雙六拍方式時,C=2。