步進(jìn)電機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)及工作原理

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上步進(jìn)電機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)及工作原理步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是典型的開(kāi)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(dòng)控制線路的控制，將代表進(jìn)給脈沖的電平信號(hào)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(guò)齒輪和絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。由于該系統(tǒng)沒(méi)有反饋檢測(cè)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(jiǎn)單、容易調(diào)整，故在速度和精度要求不太高的場(chǎng)合具有一定的使用價(jià)值。 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(jiàn)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5-1所

2、示。 表5-1 步進(jìn)電機(jī)的分類分  類  方  式                具  體  類  型按力矩產(chǎn)生的原理（1）反應(yīng)式：轉(zhuǎn)子無(wú)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（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)行按輸出力矩大小（1）伺服式：輸出力矩在百分之幾之幾至十分之幾（N·m）只能驅(qū)動(dòng)較小的負(fù)載，要與液壓扭矩放大器配用，才

3、能驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)等較大的負(fù)載（2）功率式：輸出力矩在5-50 N·m以上，可以直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)等較大的負(fù)載按定子數(shù)（1）單定子式（2）雙定子式（3）三定子式（4）多定子式按各相繞組分布（1）徑向分布式：電機(jī)各相按圓周依次排列（2）軸向分布式：電機(jī)各相按軸向依次排列2.步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)目前，我國(guó)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5-1所述。圖5-2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

4、置在定子鐵心6個(gè)均勻分布的齒上的線圈，在直徑方向上相對(duì)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5-2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NS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(kāi)了5個(gè)小齒，齒槽等寬，齒間夾角為9°，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，只有均勻分布的40個(gè)小齒，齒槽也是等寬的，齒間夾角也是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(kāi)1/3齒距，如圖5-3所示。當(dāng)A相磁極上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒對(duì)齊時(shí)，B相磁極上的齒剛好超前(或滯后)轉(zhuǎn)子齒1/3齒距角，C相磁極

5、齒超前(或滯后)轉(zhuǎn)子齒2/3齒距角。圖5-2 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5-3 步進(jìn)電機(jī)的齒距  圖5-4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5-5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(kāi)1/5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)式步進(jìn)電機(jī)之外

6、，常見(jiàn)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.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5-6是一種最簡(jiǎn)單的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，下面以它為例來(lái)說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的工作原理。圖5-6(a)中，當(dāng)A相繞組通以直流電流時(shí)，根據(jù)電磁學(xué)原理，便會(huì)在AA方向上產(chǎn)生一磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)電磁力的作用下，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的齒與定子AA磁極上的齒對(duì)齊。若A相斷電，B相通電，這時(shí)新的磁場(chǎng)其電磁力又吸引轉(zhuǎn)子的兩極與BB磁極齒對(duì)齊，轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)60°。通常，步進(jìn)電機(jī)繞組的通斷電狀態(tài)每改變一次，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角。因此，圖5-6(a)所示步進(jìn)電

7、機(jī)的步距角等于60°。如果控制線路不停地按ABCA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(dòng)。若通電順序改為ACBA，同理，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。圖5-4 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5-5 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 AB B BC C CA A ；逆時(shí)針為A AC C CB B BA A。若以三相六拍通電方式工作，當(dāng)A相通電轉(zhuǎn)為A和B同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的磁極將同時(shí)受到A相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)和B相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)的共同吸引，轉(zhuǎn)子的磁極只好停在A

8、和B兩相磁極之間，這時(shí)它的步距角等于30°。當(dāng)由A和B兩相同時(shí)通電轉(zhuǎn)為B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子磁極再沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°，與B相磁極對(duì)齊。其余依此類推。采用三相六拍通電方式，可使步距角縮小一半。圖5-6 步進(jìn)電機(jī)工作原理圖圖5-6(b)中的步進(jìn)電機(jī)，定子仍是A ，B ，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相通電時(shí)，是1和3極與A相的兩極對(duì)齊，很明顯，當(dāng)A相斷電、B相通電時(shí)，2和4極將與B相兩極對(duì)齊。這樣，在三相三拍的通電方式中，步距角等于30°，在三相六拍通電方式中，步距角則為15°。綜上所述，可以得到如下結(jié)論：(1) 步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改

9、變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)確定的角度，即步進(jìn)電機(jī)的步距角；(2) 改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變；(3) 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) 步進(jìn)電機(jī)步距角與定子繞組的相數(shù)m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z、通電方式k有關(guān)，可用下式表示：      (5-1)式中m相m拍時(shí)，k=1；m相2m拍時(shí)，k=2；依此類推。對(duì)于圖5-2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)，其步距角為若按三相六拍通電方式工作，則步距角為4.步進(jìn)電機(jī)的主要特

10、性(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(guò)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(jiàn)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) 矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mjmax和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩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) 啟動(dòng)頻率fq?？蛰d時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動(dòng)，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(dòng)頻率或突跳頻率。若啟動(dòng)時(shí)頻率大于突跳頻率，步進(jìn)電機(jī)就不能正常啟動(dòng)。空載啟動(dòng)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) 連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率fmax。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)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(guò)程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時(shí)間的關(guān)系。當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)啟