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二、步進電動機及其驅動

(一)步進電動機

步進電動機是一種同步電動機，是一種將電脈沖信號轉換成角位移(或直線位移)的執行元件。這種電動機，每施加一個電脈沖，其轉軸就轉過一個角度，稱為一步。脈沖數增加，角(或直線)位移隨之增加;脈沖頻率高，電動機旋轉速度就快，反之則慢;分配脈沖的相序改變，電動機便反轉。

步進電動機繞組所加電源既不是恒定直流，也不是正弦交流，而是脈沖電壓，所以有時也稱為脈沖電動機。步進電動機的種類很多，有多種分類方法。若按工作原理分類，則可將步進電動機分為：

反應式(磁阻式)、電磁式、永磁式和永磁感應子式步進電動機。其中反應式和永磁感應子式步進電動機比較常用。

1.反應式步進電動機

電動機定子有A、B、C三對磁極。在相應的磁極上繞有A、B、C三相控制繞組。

當A、B、C三對磁極的繞組依次輪流通過直流電時，則A、B、C三對磁極就依次輪流產生磁場吸引轉子轉動。

首先，當A相繞組通電，B、C兩相斷電時，轉子的齒1、3分別被定子磁極A—A’吸引而對齊。

然后，A相斷電，B相通電，于是轉子的2、4兩齒被定子磁極B—B’吸引，這時轉子逆時針轉了300.，接下去B相斷電，C相通電，轉子1、3齒與定子磁極C-C′軸線對齊，轉子又逆時針轉過了300。

這種按A→B→C→A→B→C→A…順序輪流通電的方式稱為三相單三拍。“三相”是指定子有三相繞組A、B、C，“單”是指每次只有一相繞組單獨通電，“三拍”是指經過三次經過切換控制繞組的通電狀態為一個循環。每一拍，即輸入一個脈沖信號，都使轉子轉過一個角度，稱之為步距角θs。其計算公式如下：

齒距角：即相鄰兩齒所對應的空間角度

Zr—轉子齒數

步距角

N—運行拍數 K=1

θs=360/3×1×4=30°

步進電動機也可以采用三相單、雙拍通電方式，通電順序為A→AB→B→BC→C→CA→A……

三相繞組經過六次切換完成一個循環，因而稱為單雙六拍。

步距角：

N=mk K=2 m=3

θs=360/3×2×4=15°

轉速： 轉/分，

即步進電機轉速取決于脈沖頻率、轉子齒數和運行拍數。

步進電動機的轉子齒數多，齒距角就小，步距角也就越小，位置精確度就越高。轉子齒數多，步距角就小。

除三相反應式步進電動機外，還有四相、五相、六相反應式步進電動機。

2.永磁感應子式步進電動機

圖5-18永磁感應子式步進電動機

由于在磁路中含有永久磁鋼，所以，永磁感應子式步進電動機的定子繞組斷電后，仍有一定的定位轉矩。

3.步進電動機的主要性能指標。步進電動機的主要性能指標有：

(1)步距精度。空載時，以單脈沖輸入，步進電動機的實際步距角與理論步距角之差稱為靜態步距角誤差，以偏差的角度或相對百分數來衡量。我國生產的步進電動機的步距精度一般在±10～±30分的范圍，有些可達±2～±5分。

(2)最大靜轉距。轉子處于靜止狀態時，能與最大負載轉矩相平衡的電磁轉矩稱為步進電動機的最大轉矩。它是衡量步進電動機帶負載能力的主要指標。

(3)起動頻率。使步進電動機能夠由靜止定位狀態不失步地起動，并進入正常運行的控制脈沖最高頻率，稱為起動頻率。在電動機空載情況下，稱為空載起動頻率。在有負載情況下，不失步起動所允許的最高頻率將大大降低。

(4)連續運行頻率。步進電動機起動后，其轉速將跟隨控制脈沖頻率連續上升而不失步的控制脈沖的最高頻率，稱為連續運行頻率的最高工作頻率。步進電動機的連續運行頻率隨負載的增大而下降，但步進電動機連續運行頻率遠高于其起動頻率。

(二)步進電機對驅動電源的要求

電源的相數、電壓、電流、通電方式與步進電機的要求相適應;

滿足啟動頻率和運行頻率的要求

工作可靠、抗干擾能力強

成本低，效率高，安裝和維護方便

驅動電源由環形分配器和功率驅動器組成。

步進電動機具有獨特的優點：

(1)步進電動機的轉速主要取決于脈沖的頻率，轉數取決于脈沖數。

(2)步進電動機的步距值不受各種干擾因素的影響。

(3)步進電動機每走一步所轉過的角度(實際步距值)與理論步距值之間總有一定的誤差。從某一步到任何一步，也總會有一定的累積誤差，但每轉一圈的累積誤差為零。步距誤差不長期積累。

步進電動機的缺點是過載能力比較差。

步進電動機伺服驅動系統主要用于開環位置控制。它由步進電動機驅動電源和步進電動機組成，沒有反饋環節。這種系統比較簡單，控制和維修也比較方便。由于開環系統精度不高，且步進電動機的功率和速度也不高，因此這種驅動系統僅用于小容量、速度低和精度不太高的經濟型數控機床和電加工機床、計算機的打印機、繪圖儀等外部設備。

三、直流伺服電動機及其速度控制

以直流伺服電動機作為驅動元件的伺服系統即為直流伺服系統。直流伺服電動機具有良好的調速性能，尤其是他勵(永磁)直流伺服電動機，其機械特性比較硬，即負載增加時，電動機轉速的降幅很小。

(一)直流伺服電動機

1.直流主軸電動機。直流主軸電動機的結構與普遍直流電動機的結構基本相同。

定子也有主磁極和換向磁極，采用矽鋼片疊成。在主磁極上繞有補償繞組，其作用是為了抵消轉子反應磁動勢對氣隙主磁通的影響，改善電動機的調速性能。換向磁極的作用是為了改善電動機的換向性能。直流主軸電動機都采用軸向強迫通風冷卻或熱管冷卻，以改善冷卻效果，避免電動機熱量傳到主軸。電動機尾部還同軸安裝有測速發電機作為速度反饋元件。

圖5-19　直流主軸電動機特性曲線

在基本速度nj以下為恒轉矩范圍，在基本速度nj以上為恒功率范圍。通常恒轉矩速度范圍與恒功率速度范圍之比為1:2。

2.進給直流伺服電動機。在數控機床的直流進給伺服驅動系統中，多采用永磁直流伺服電動機作為驅動元件。

永磁直流伺服電動機由電動機本體和檢測部件組成。電動機本體主要由機殼、定子磁極和轉子三部分組成。

永磁直流伺服電動機的定子磁極是一個永磁體。不需要勵磁功率。在同樣的輸出功率時體積和重量較小。

反饋用的檢測部件同軸安裝在電動機的尾部(非軸伸出端)。

永磁直流伺服電動機的轉子分為小慣量型和普通型兩類。

小慣量型轉子又可分無槽轉子、空心杯形轉子和印刷繞組轉子。三種小慣量型轉子直流伺服電動機的共同特點是轉子慣量小，適合于快速響應的伺服系統。但其過載能力低，當用于數控機床等進給伺服系統中時，由于轉子慣量與機械傳動系統匹配較差，電動機與機械傳動系統不能直接相連，必須采取一些措施。

普通型轉子永磁直流伺服電動機具有以下一些特點：

(1)低速時輸出的轉矩大，慣量比較大，能與機械傳動系統直接相連，省去齒輪等傳動機構，從而有利于減小機械振動和噪聲，以及齒隙誤差。

(2)轉子的熱容量大，電動機的過載性能好，一般能加倍過載幾十分鐘。

(3)調速范圍寬，當與高性能速度控制單元組成速度控制系統時，調速范圍可達1:1000以上。

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（責任編輯：中大編輯）

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