《特種電機(jī)及其控制》

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第3章步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制

SteppingMotors特種電機(jī)及其控制1

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3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，機(jī)理：步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來一個(gè)電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一小段距離。動(dòng)一小段距離。給一個(gè)脈沖，特點(diǎn)：(1)給一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。給一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。(2)控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速?？刂泼}沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速?？刂泼}沖頻率(3)改變脈沖順序，改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。改變脈沖順序，改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。改變脈沖順序

特種電機(jī)及其控制

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步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類：尋常按勵(lì)磁方式分為三大類：尋常按勵(lì)磁方式分為三大類：1)反應(yīng)式：轉(zhuǎn)子為軟磁材料，無繞組，定、轉(zhuǎn)子開小反應(yīng)式：轉(zhuǎn)子為軟磁材料，無繞組，齒、步距小。應(yīng)用最廣。步距小。應(yīng)用最廣。2)永磁式：轉(zhuǎn)子為永磁材料，轉(zhuǎn)子的極數(shù)=每相定子永磁式：轉(zhuǎn)子為永磁材料，轉(zhuǎn)子的極數(shù)=極數(shù)，不開小齒，步距角較大，力矩較大極數(shù)，不開小齒，步距角較大，3)感應(yīng)子式(混合式):轉(zhuǎn)子為永磁式、兩段，開小感應(yīng)子式(混合式)轉(zhuǎn)子為永磁式、兩段，齒，混合反應(yīng)式與永磁式優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好混合反應(yīng)式與永磁式優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩大、、步距角小。但結(jié)構(gòu)繁雜，成本較高。步距角小。但結(jié)構(gòu)繁雜，成本較高。以反應(yīng)式為例說明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理特種電機(jī)及其控制3

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3.1.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1)定轉(zhuǎn)子開小齒2)定轉(zhuǎn)子均為軟磁材料3)小步距

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)特種電機(jī)及其控制4

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步進(jìn)電機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。步進(jìn)電機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均由磁性材料構(gòu)成，其上分別有六個(gè)、由磁性材料構(gòu)成，其上分別有六個(gè)、四個(gè)磁極。

定子繞組定子轉(zhuǎn)子

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IA

A定子

轉(zhuǎn)子

C

IC

IB

B

定子的六個(gè)磁極上有控制繞組，定子的六個(gè)磁極上有控制繞組，兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一相。成一相。注意：這里的相和三相交流電中的“注意：這里的相和三相交流電中的“相〞的概念不步進(jìn)機(jī)通的是直流電脈沖，同。步進(jìn)機(jī)通的是直流電脈沖，這主要是指線路的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。特種電機(jī)及其控制6

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永磁式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1)轉(zhuǎn)子磁極為永磁材料2)定子每極相數(shù)等于轉(zhuǎn)子極數(shù)不開小齒，3)不開小齒，大步矩、大步矩、大力矩特種電機(jī)及其控制7

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混合式步進(jìn)電機(jī)(Hybrid)結(jié)構(gòu)混合式步進(jìn)電機(jī)(Hybrid)結(jié)構(gòu)(Hybrid)

特點(diǎn)：轉(zhuǎn)

子永磁、兩極，定轉(zhuǎn)子均開小齒，特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子永磁、兩極，定轉(zhuǎn)子均開小齒，混合二者優(yōu)點(diǎn)。者優(yōu)點(diǎn)。特種電機(jī)及其控制8

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3.1.2工作方式三相步進(jìn)電機(jī)的工作方式可分為：三相單三拍、三相步進(jìn)電機(jī)的工作方式可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等三相單雙六拍、三相雙三拍等。

一、三相單三拍(1)三相繞組聯(lián)接方式：Y型三相繞組聯(lián)接方式：(2)三相繞組中的通電順序?yàn)椋喝嗬@組中的通電順序?yàn)椋篈相→B相→C相通電順序也可以為：通電順序也可以為：A相→C相→B相特種電機(jī)及其控制9

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(3)工作過程)AB'4123A'

A相通電，A方向的磁相通電，C'B

通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場(chǎng)軸線方向原有一定角度，原有一定角度，則在磁場(chǎng)的作用下，場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子被磁

C

化，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使通電相磁吸引轉(zhuǎn)子，路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊中止轉(zhuǎn)動(dòng)。路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊中止轉(zhuǎn)動(dòng)。

A相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和AA'對(duì)齊。相通電使轉(zhuǎn)子1對(duì)齊。特種電機(jī)及其控制10

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AB'

AC'BB'

C'BA'

CA'

C

B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒相通電，轉(zhuǎn)子、齒相通電相軸線對(duì)齊，和B相軸線對(duì)齊，相對(duì)相軸線對(duì)齊A相通電位置轉(zhuǎn);相通電位置轉(zhuǎn)30相通電位置轉(zhuǎn)特種電機(jī)及其控制

C相通電再轉(zhuǎn)相通電再轉(zhuǎn)30相通電再轉(zhuǎn)

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這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，而且，一個(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，所以稱三相單三拍。單三拍。三相單三拍的特點(diǎn)：三相單三拍的特點(diǎn)：(1)每來一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30。此角稱為)每來一個(gè)電脈沖，步距角，表示。步距角，用θS表示。(2)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。

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二、三相單雙六拍三相繞組的通電順序?yàn)椋喝嗬@組的通電順序?yàn)椋篈→AB→B→BC→C→CA→A共六拍?！擦?。工作過程：工作過程：AB'4123A'

C'B

C

A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和A相對(duì)齊。相通電，轉(zhuǎn)子1相對(duì)齊。相通電齒和相對(duì)齊特種電機(jī)及其控制13

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A、B一致時(shí)通電、一致時(shí)通電AB'

C'BA'

C

(1)BB'磁場(chǎng)對(duì)2、4齒有磁拉力，該拉力使)、齒有磁拉力，轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。磁場(chǎng)繼續(xù)對(duì)1、齒有拉力齒有拉力。(2)AA'磁場(chǎng)繼續(xù)對(duì)

、3齒有拉力。)所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)AA'通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了。特種電機(jī)及其控制14

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B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了。相通電，轉(zhuǎn)子、齒和相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了15齒和B相對(duì)齊相通電

AB'

C'BA'

C

總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為15為三相六拍，步距角為。特種電機(jī)及其控制15

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三、三相雙三拍三相繞組的通電順序?yàn)椋喝嗬@組的通電順序?yàn)椋篈B→BC→CA→AB共三拍。共三拍。AB'

AC'BB'

C'BA'

CA'

C

AB通電通電特種電機(jī)及其控制

BC通電通電16

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AB'

C'BA'

C

工作方式為三相雙三拍時(shí)，拍時(shí)，每通入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30,即θS=30。

CA通電通電

以上三種工作方式，以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。特種電機(jī)及其控制17

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3.1.3小步距角的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)際采用的步進(jìn)電機(jī)的步距角多為3度和實(shí)際采用的步進(jìn)電機(jī)的步距角多為度和1.5度和步距角越小，機(jī)加工的精度越高。度，步距角越小，機(jī)加工的精度越高。

為產(chǎn)生小步距角，為產(chǎn)生小步距角，定、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，轉(zhuǎn)子都做成多齒的，圖中轉(zhuǎn)子40個(gè)齒個(gè)齒，個(gè)磁極，圖中轉(zhuǎn)子個(gè)齒，定子仍是6個(gè)磁極，但每個(gè)磁個(gè)磁極極