步進(jìn)電機(jī)詳解.pdf

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1、第四章步進(jìn)電動(dòng)機(jī)4-1概述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)steppingmotor是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移的一種特殊電機(jī)每輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度它的運(yùn)動(dòng)形式是步進(jìn)式的所以稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又由于它輸入的是脈沖電流所以也叫脈沖電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在不需要變換的情況下能直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移因此它很適合作為數(shù)字控制系統(tǒng)的伺服元件此外它還具有一系列的優(yōu)點(diǎn)一是輸出角位移量或線位移量與其輸入的脈沖數(shù)成正比而轉(zhuǎn)速或線速度與脈沖的頻率成正比在負(fù)載能力范圍內(nèi)這些關(guān)系不受電壓的大小負(fù)載的大小環(huán)境條件等外界各種因素的

2、干擾二是它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在不失步的情況下運(yùn)行其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累三是控制性能好它可以在開環(huán)系統(tǒng)中在很寬的范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖的頻率來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速并且能夠快速啟動(dòng)制動(dòng)和反轉(zhuǎn)四是有些型式的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在停止供電的狀態(tài)下還有定位轉(zhuǎn)矩有些型式在停機(jī)后某些相繞組仍保持通電狀態(tài)具有自鎖能力不需要機(jī)械制動(dòng)裝置等當(dāng)采用速度和位置檢測(cè)裝置后它可構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用開辟了廣闊的前景應(yīng)用非常廣泛如數(shù)控機(jī)床繪圖機(jī)自動(dòng)記錄儀表遙控裝置和航空系統(tǒng)等等都大量使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

3、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要缺點(diǎn)是效率較低并且需要專用電源供給電脈沖信號(hào)帶負(fù)載慣量的能力不強(qiáng)在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)共振和振蕩問(wèn)題步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多主要有反應(yīng)式永磁式和混合式近年來(lái)又發(fā)展有直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和平面步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等其中反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單應(yīng)用比較普遍而且其他類型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本原理與它基本相似所以本章著重分析反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)4-2反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理一反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式很多按定轉(zhuǎn)子鐵芯的段數(shù)分為單段式和多段式兩種1單段式單段式是定轉(zhuǎn)子為一段鐵芯由于各相繞組沿圓周方向均勻排列所以又稱為

4、徑向分相式它是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式如圖4-1為三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的徑向截面圖定轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片疊壓而成定子磁極為凸極式磁極的極面上開有小齒定子上有三套控制繞組每一套有兩個(gè)串聯(lián)的集中控制繞組分別繞在徑向相對(duì)的兩個(gè)磁極上每套繞組叫一相三相繞組接成星形所以定子磁極數(shù)通常為相數(shù)的兩倍即2p=2mp為極對(duì)數(shù)m為相數(shù)轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組沿圓周也有均勻的小齒其齒距和定子磁極上小齒的齒距必須相等而且轉(zhuǎn)子的齒數(shù)有一定的限制這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)是制造簡(jiǎn)便精度易于保證步距角可以做得較小容易得到較高的啟動(dòng)和運(yùn)行頻率其缺點(diǎn)是在電機(jī)的直

5、徑較小而相數(shù)又較多時(shí)沿徑向分相較為困1難消耗功率大斷電時(shí)無(wú)定位轉(zhuǎn)矩圖4-1三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)2多段式多段式是定轉(zhuǎn)子鐵芯沿電機(jī)軸向按相數(shù)分成m段由于各相繞組沿著軸向分布所以又稱為軸向分相式按其磁路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有兩種一種是主磁路仍為徑向另一種是主磁路包含有軸向部分多段式徑向磁路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖4-2所示每一段的結(jié)構(gòu)和單段式徑向分相結(jié)構(gòu)相似通常每一相繞組在一段定子鐵芯的各個(gè)磁極上定子的磁極數(shù)從結(jié)構(gòu)合理考慮決定最多可以和轉(zhuǎn)子齒數(shù)相等定轉(zhuǎn)子鐵芯的圓周上都有齒形相近和齒距相同的均勻小齒轉(zhuǎn)子齒數(shù)通常為定子極數(shù)的倍數(shù)定子鐵

6、芯或轉(zhuǎn)子鐵芯每相鄰兩段沿圓周錯(cuò)開1/m齒距此外也可以在一段鐵芯上放置兩相或三相繞組定子鐵芯或轉(zhuǎn)子鐵芯每相鄰兩段要錯(cuò)開相應(yīng)的齒距這樣可增加電機(jī)制造的靈活性圖4-2多段式徑向磁路反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1線圈2定子3轉(zhuǎn)子多段式軸向磁路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖4-3所示每段定子鐵芯為П字形在其中間放置環(huán)形控制繞組定轉(zhuǎn)子鐵芯上均有齒形相近和齒數(shù)相等的小齒定子鐵芯或轉(zhuǎn)子鐵芯每相鄰兩段沿圓周錯(cuò)開1/m齒距多段式結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)是鐵芯分段和錯(cuò)位裝配工藝比較復(fù)雜精度不易保證特別對(duì)步距角較2小的電機(jī)更是困難但步距角可以做的很小啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高對(duì)軸

7、向磁路的結(jié)構(gòu)定子空間利用率高環(huán)形控制繞組繞制方便轉(zhuǎn)子的慣量較低圖4-3多段式軸向磁路反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1線圈2定子3磁軛4轉(zhuǎn)子5引出線二反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是利用凸極轉(zhuǎn)子交軸磁阻與直軸磁阻之差所產(chǎn)生的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動(dòng)的所以也稱為磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)現(xiàn)以一個(gè)最簡(jiǎn)單的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例說(shuō)明其工作原理圖4-4是一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理圖定子鐵芯為凸極式共有三對(duì)六個(gè)磁極每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的磁極上繞有一相控制繞組轉(zhuǎn)子用軟磁性材料制成也是凸極結(jié)構(gòu)只有四個(gè)齒齒寬等于定子的極靴寬下面通過(guò)幾種基本的控制方式來(lái)說(shuō)明其工

8、作原理圖4-4三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理圖1三相單三拍通電方式當(dāng)A相控制繞組通電其余兩相均不通電電機(jī)內(nèi)建立以定子A相極為軸線的磁場(chǎng)由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn)使轉(zhuǎn)子齒13的軸線與定子A相極軸線對(duì)齊如圖4-4a所示若A相控制繞組斷電B相控制繞組通電時(shí)轉(zhuǎn)子在反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用下逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)30°使轉(zhuǎn)子齒24的軸線與定子B相極軸線對(duì)齊即轉(zhuǎn)子走了