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文檔簡介
第5章步進(jìn)電動機(jī)
5.1概述
5.2反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理
5.3反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的特點(diǎn)
5.4反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特性
5.5
步進(jìn)電動機(jī)的其他類型
5.6
步進(jìn)電動機(jī)的主要性能指標(biāo)5.1概述步進(jìn)電動機(jī)將輸入的脈沖電信號變換為角位移或直線位移,給一個(gè)脈沖信號,電動機(jī)前進(jìn)一步,因此稱為步進(jìn)電動機(jī)。
(1)控制系統(tǒng)對的基本要求在電脈沖的控制下,步進(jìn)電動機(jī)能迅速起動、正反轉(zhuǎn)、制動和停車,調(diào)速范圍寬廣;步進(jìn)電動機(jī)的步距角要小,步距精度要高,不丟步不越步;工作頻率高、響應(yīng)速度快。(2)步進(jìn)電動機(jī)的分類按其工作方式不同,可分為功率步進(jìn)電動機(jī)和伺服步進(jìn)電動機(jī)兩類。按勵(lì)磁方式的不同,步進(jìn)電動機(jī)可分為反應(yīng)式、永磁式和感應(yīng)子式三類。5.2.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)定子鐵心
定子鐵心為凸極結(jié)構(gòu),由硅鋼片迭壓而成。在面向氣隙的定子鐵心表面有齒距相等的小齒。圖5-1四相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)定子繞組
定子每極上套有一個(gè)集中繞組,相對兩極的繞組串聯(lián)構(gòu)成一相。步進(jìn)電動機(jī)可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。轉(zhuǎn)子
轉(zhuǎn)子上只有齒槽沒有繞組,系統(tǒng)工作要求不同,轉(zhuǎn)子齒數(shù)也不同。5.2反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理5.2.2工作原理1.工作原理以四相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)為例。定子有八個(gè)極,相對兩極的繞組串聯(lián)成一相,構(gòu)成四相;轉(zhuǎn)子六個(gè)齒,齒寬等于定子極靴的寬度。
(a)A相通電(b)C相通電(c)B相通電(d)D相通電圖5-2四相單四拍運(yùn)行A相繞組通電,在磁阻轉(zhuǎn)矩作用下,轉(zhuǎn)子齒1和4的軸線與定子A極軸線對齊;斷開A相接通C相,轉(zhuǎn)子齒3和6的軸線與C極軸線對齊,轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過15°;斷開C相接通B相,轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過15°;斷開B相接通D相,轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過15°。四相單四拍每次只接通一相繞組的四相供電方式稱為四相單四拍。四相雙四拍每次同時(shí)接通兩相繞組,如AC→CB→BD→DA→…,也是四拍一個(gè)循環(huán),則稱為四相雙四拍。雙拍運(yùn)行與單拍運(yùn)行時(shí)步距角相同,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩一般會增加。四相八拍A→AC→C→CB→B→BD→D→DA→…。步距角變?yōu)樵瓉淼亩种弧?.運(yùn)行方式拍和步距角電機(jī)通電方式變換一次,稱為一拍。每一拍轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度,稱為步距角。如何使步進(jìn)電動機(jī)反轉(zhuǎn)?5.2.2工作原理3.步距角每輸入一個(gè)脈沖電信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角,用符號表示。步距角為c為通電狀態(tài)系數(shù),m為電機(jī)相數(shù),Zr轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。
減小步距角,可提高控制精度。5.2.2工作原理4.轉(zhuǎn)速n
若控制脈沖的頻率為f,即每秒輸入的脈沖數(shù)。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù),與電源電壓、負(fù)載、溫度等因素?zé)o關(guān)。改變脈沖頻率可以改變轉(zhuǎn)速,故可進(jìn)行無級調(diào)速。改變通電順序,可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)向。5.2.2工作原理5.實(shí)用反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)如何減小步距角?增加轉(zhuǎn)子齒數(shù),同時(shí)在定子極面上開槽,定、轉(zhuǎn)子的齒形要相同。圖5-3四相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子齒數(shù)應(yīng)滿足5.2.2工作原理四相單四拍運(yùn)行通電方式為A→C→B→D→…。A相繞組通電,轉(zhuǎn)子齒軸線和定子磁極A上的齒軸線對齊;斷開A相接通C相,在磁阻轉(zhuǎn)矩作用下,轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過四分之一齒距角(1.8°),使轉(zhuǎn)子齒軸線和定子磁極C下的齒軸線對齊;…。圖5-4A相通電時(shí)定、轉(zhuǎn)子齒的相對位置
每換接一次繞組,轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過1/4齒距角。四步完成一個(gè)循環(huán),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過7.2°
5.2.2工作原理四相八拍運(yùn)行
通電方式為A→AC→C→CB→B→BD→D→DA→…。
A相繞組通電,轉(zhuǎn)子齒軸線和定子磁極A上的齒軸線對齊;圖5-5A、C兩相通電時(shí)定、轉(zhuǎn)子齒的相對位置A、C兩相同時(shí)通電時(shí),轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向只轉(zhuǎn)過1/8齒距角(0.9°);…。每換接一次繞組,轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過1/8齒距角。
四相八拍運(yùn)行時(shí)的步距角是四相四拍運(yùn)行時(shí)的一半。四相雙四拍運(yùn)行通電方式為AC→CB→BD→DA→…。步距角與四相單四拍運(yùn)行時(shí)一樣為1/4齒距角,即1.8°。
5.2.2工作原理5.3工作特點(diǎn)1.步進(jìn)電動機(jī)受脈沖控制,其轉(zhuǎn)子的角位移量和轉(zhuǎn)速嚴(yán)格地與脈沖的數(shù)量和頻率成正比。改變通電順序可以改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向,改變頻率可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。2.若用同一頻率的脈沖電源控制幾臺步進(jìn)電動機(jī)時(shí),它們可以同步運(yùn)行。3.維持步進(jìn)電動機(jī)控制繞組的電流不變,電動機(jī)便停在某一位置不動。即步進(jìn)電動機(jī)具有自整角的能力,不需要機(jī)械制動。4.步進(jìn)電動機(jī)的步距角和轉(zhuǎn)速大小不受電壓波動和負(fù)載變化的影響,也不受環(huán)境(溫度、氣壓、沖擊和振動)的影響。5.步進(jìn)電動機(jī)有一定的步距精度,沒有累積誤差。6.缺點(diǎn):效率低、負(fù)載能力不大、調(diào)速范圍不大,最高輸入頻率一般不超過18KHZ規(guī)定定子、轉(zhuǎn)子齒軸線重合的位置為靜態(tài)空載情況下的初始穩(wěn)定平衡位置。5.4反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的特性靜止?fàn)顟B(tài)
當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)不改變通電狀態(tài)時(shí),轉(zhuǎn)子處于不動狀態(tài),稱為靜止?fàn)顟B(tài)。失調(diào)角
當(dāng)電動機(jī)軸上外加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩,使轉(zhuǎn)子按一定方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度,平衡時(shí)轉(zhuǎn)子所受的電磁轉(zhuǎn)矩稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子偏離初始穩(wěn)定平衡位置的電角度稱為失調(diào)角。靜態(tài)特性
在靜止?fàn)顟B(tài)下,電磁轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間的函數(shù)關(guān)系,稱為步進(jìn)電動機(jī)的矩角特性。1.靜態(tài)矩角特性5.4反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的特性靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T是失調(diào)角的正弦函數(shù),它的作用總是使轉(zhuǎn)子位置趨向于失調(diào)角為零;在結(jié)構(gòu)一定且磁路不飽和的條件下靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的大小與I2成正比。圖5-6矩角特性應(yīng)當(dāng)注意,最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與控制繞組中電流的平方成正比,其前提條件是磁路不飽和,實(shí)際上當(dāng)電流達(dá)到一定數(shù)值后,磁路開始飽和,正比關(guān)系被破壞,隨I增大,增大得越來越慢。圖5-7最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與控制電流的關(guān)系5.4反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的特性步進(jìn)電動機(jī)的起動性能用起動矩頻特性、起動慣頻特性和起動頻率來描述。2.起動矩頻特性起動矩頻特性
在給定驅(qū)動電源的條件下,負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量一定時(shí),起動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的函數(shù)關(guān)系,稱作起動矩頻特性。圖5-8起動矩頻特性轉(zhuǎn)動慣量一定時(shí),隨著負(fù)載的增加,其起動頻率是下降的。5.4反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的特性3.起動慣頻特性起動慣頻特性
在給定驅(qū)動電源的條件下,負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí),起動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的函數(shù)關(guān)系,稱作起動慣頻特性。負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí),隨著轉(zhuǎn)動慣量的增加,起動頻率也是下降的。圖5-9起動慣頻特性5.4反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的特性4.起動頻率電機(jī)正常起動時(shí)(不丟步、不失步)所能加的最高控制頻率稱為起動頻率或突跳頻率。起動頻率與負(fù)載大小有關(guān),因而指標(biāo)分空載起動頻率和負(fù)載起動頻率。比低得多。例如,70BF03步進(jìn)電動機(jī),Hz,在0.1176N.m的負(fù)載下起動頻率Hz。增大電動機(jī)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩;提高起動頻率的措施減小轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量;減小步距角。5.4反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的特性5.4反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的特性當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)在輸入脈沖,轉(zhuǎn)子作連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,這種運(yùn)行狀態(tài)稱作連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。5.動態(tài)轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行矩頻特性步進(jìn)電動機(jī)在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。
運(yùn)行矩頻特性:步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),輸出轉(zhuǎn)矩和連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系。圖5-10運(yùn)行矩頻特性矩頻特性表明,在一定控制脈沖頻率范圍內(nèi),隨頻率升高,電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速都相應(yīng)地提高,超出該范圍則隨頻率升高轉(zhuǎn)矩下降,步進(jìn)電動機(jī)帶負(fù)載的能力也逐漸下降,到某一頻率以后,就帶不動任何負(fù)載,而且只要受到一個(gè)很小的擾動,就會振蕩、失步以至停轉(zhuǎn)。連續(xù)運(yùn)行頻率與負(fù)載的大小有關(guān),一般分空載運(yùn)行頻率,和額定負(fù)載運(yùn)行頻率。6.連續(xù)運(yùn)行頻率當(dāng)控制電源的脈沖頻率連續(xù)提高時(shí),在一定性質(zhì)和大小的負(fù)載下,步進(jìn)電動機(jī)能正常連續(xù)運(yùn)行時(shí)(不丟步、不失步)所能加到的最高頻率稱為連續(xù)運(yùn)行頻率或最高跟蹤頻率。。例如,步進(jìn)電動機(jī)70BF03,其空載運(yùn)行頻率,Hz額定負(fù)載運(yùn)行頻率為Hz。最高連續(xù)運(yùn)行頻率是步進(jìn)電動機(jī)的重要技術(shù)指標(biāo)。5.4反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的特性5.5步進(jìn)電動機(jī)的其它類型1.多段反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)
軸向磁路多段式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖5-11所示。定、轉(zhuǎn)子鐵心均沿電機(jī)軸向按相數(shù)分段,每一組定子鐵心放置一相環(huán)形的控制繞組。定、轉(zhuǎn)子圓周上沖有形狀和數(shù)量相同的小齒。定子鐵心(或轉(zhuǎn)子鐵心)每相鄰兩段錯(cuò)開1/m齒距。特點(diǎn)定子空間利用率較好,環(huán)形控制繞組繞制較方便;轉(zhuǎn)子的慣量較低;步距角也可以做得較小,起動和運(yùn)行頻率較高。但是在制造時(shí),鐵心分段和錯(cuò)位工藝較復(fù)雜,精度不易保證。
圖5-11多段式軸向磁路反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)1-線圈;2-定子;3-轉(zhuǎn)子;4-引線5.5步進(jìn)電動機(jī)的其它類型結(jié)構(gòu)
永磁式步進(jìn)電動機(jī)定子上有兩相或多相繞組,轉(zhuǎn)子為一對或幾對極的星形磁鋼,轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子每相的極數(shù)相同。2.永磁式步進(jìn)電動機(jī)圖5-12永磁式步進(jìn)電動機(jī)工作原理當(dāng)定子繞組按A→B→(-A)→(-B)→…輪流通直流脈沖時(shí),轉(zhuǎn)子依次轉(zhuǎn)過45°,一個(gè)循環(huán)轉(zhuǎn)過180°,步距角為45°。特點(diǎn)
步距角大;起動頻率較低;控制功率??;在斷電情況下有定位轉(zhuǎn)矩;有強(qiáng)的內(nèi)阻尼力矩;要求電源供給正負(fù)脈沖,使電源的變得復(fù)雜。結(jié)構(gòu)兩相感應(yīng)子式永磁步進(jìn)電動機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與單段反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)相同,1、3、5、7極上的控制繞組串聯(lián)為A相,2、4、6、8極上的控制繞組串聯(lián)為B相。轉(zhuǎn)子是由環(huán)形磁鐵和兩端鐵心組成。兩端轉(zhuǎn)子鐵心上沿外圓周開有小齒,兩端鐵心上的小齒彼此錯(cuò)過1/2齒距。定、轉(zhuǎn)子齒數(shù)的配合與單段反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)相同。3.感應(yīng)子式永磁步進(jìn)電動機(jī)圖5-13感應(yīng)子式永磁步進(jìn)電動機(jī)5.5步進(jìn)電動機(jī)的其它類型工作原理
轉(zhuǎn)子磁鋼充磁后,A端為N極,B端為S極;A相通電時(shí),定子1、3、5、7極上的極性為N、S、N、S。定子磁極1和5上的齒在A端則與轉(zhuǎn)子槽對齊,磁極3和7上的齒與A端上的轉(zhuǎn)子齒對齊;B相通電時(shí),由于B相四個(gè)極(2、4、6、8極)上的齒與轉(zhuǎn)子齒都錯(cuò)開1/4齒距,轉(zhuǎn)子前進(jìn)1/4齒距;由于定子同一個(gè)極的兩端極性相同,轉(zhuǎn)子兩端極性相反,但錯(cuò)開半個(gè)齒距,所以當(dāng)轉(zhuǎn)子偏離平衡位置時(shí),兩端作用轉(zhuǎn)矩的方向是一致的。5.5.步進(jìn)電動機(jī)的其它類型特點(diǎn)步距角?。黄饎雍瓦\(yùn)行頻率高;效率高;具有定位轉(zhuǎn)矩。兼有反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電動機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)。但是它需要有正、負(fù)電脈沖供電,并且在制造時(shí)比較復(fù)雜。5.5步進(jìn)電動機(jī)的其它類型5.6步進(jìn)電動機(jī)的主要性能指標(biāo)1.最大靜轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩是指在規(guī)定的通電相數(shù)下矩角特性上的轉(zhuǎn)矩最大值。通常在技術(shù)數(shù)據(jù)中所規(guī)定的最大靜轉(zhuǎn)矩是指一相繞組通上額定電流時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩值。按最大靜轉(zhuǎn)矩的大小可把步進(jìn)電動機(jī)分為伺服步進(jìn)電動機(jī)和功率步進(jìn)電動機(jī)。伺服步進(jìn)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩較小,有時(shí)需要經(jīng)過液壓力矩放大器或伺服功率放大系統(tǒng)放大后再去帶動負(fù)載。而功率步進(jìn)電動機(jī)可直接帶動負(fù)載,使系統(tǒng)簡化,傳動精度提高。2.步距角
步距角是指輸入一個(gè)電脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。步距角的大小直接影響步進(jìn)電動機(jī)的起動頻率和運(yùn)行頻率。相同尺寸的步進(jìn)電動機(jī),步距角小的起動、運(yùn)行頻率較高。3.靜態(tài)步距角誤差靜態(tài)步距角誤差
是指實(shí)際步距角與理論步距角之間的差值,常用理論步距角的百分?jǐn)?shù)或絕對值來表示。
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