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二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)

(一)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種同步電動(dòng)機(jī)，是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移(或直線(xiàn)位移)的執(zhí)行元件。這種電動(dòng)機(jī)，每施加一個(gè)電脈沖，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，稱(chēng)為一步。脈沖數(shù)增加，角(或直線(xiàn))位移隨之增加;脈沖頻率高，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度就快，反之則慢;分配脈沖的相序改變，電動(dòng)機(jī)便反轉(zhuǎn)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(shí)也稱(chēng)為脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)很多，有多種分類(lèi)方法。若按工作原理分類(lèi)，則可將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分為：

反應(yīng)式(磁阻式)、電磁式、永磁式和永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其中反應(yīng)式和永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)比較常用。

1.反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)定子有A、B、C三對(duì)磁極。在相應(yīng)的磁極上繞有A、B、C三相控制繞組。

當(dāng)A、B、C三對(duì)磁極的繞組依次輪流通過(guò)直流電時(shí)，則A、B、C三對(duì)磁極就依次輪流產(chǎn)生磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

首先，當(dāng)A相繞組通電，B、C兩相斷電時(shí)，轉(zhuǎn)子的齒1、3分別被定子磁極A—A’吸引而對(duì)齊。

然后，A相斷電，B相通電，于是轉(zhuǎn)子的2、4兩齒被定子磁極B—B’吸引，這時(shí)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)了300.，接下去B相斷電，C相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒與定子磁極C-C′軸線(xiàn)對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)了300。

這種按A→B→C→A→B→C→A…順序輪流通電的方式稱(chēng)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(dú)通電，“三拍”是指經(jīng)過(guò)三次經(jīng)過(guò)切換控制繞組的通電狀態(tài)為一個(gè)循環(huán)。每一拍，即輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，都使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，稱(chēng)之為步距角θs。其計(jì)算公式如下：

齒距角：即相鄰兩齒所對(duì)應(yīng)的空間角度

Zr—轉(zhuǎn)子齒數(shù)

步距角

N—運(yùn)行拍數(shù) K=1

θs=360/3×1×4=30°

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也可以采用三相單、雙拍通電方式，通電順序?yàn)锳→AB→B→BC→C→CA→A……

三相繞組經(jīng)過(guò)六次切換完成一個(gè)循環(huán)，因而稱(chēng)為單雙六拍。

步距角：

N=mk K=2 m=3

θs=360/3×2×4=15°

轉(zhuǎn)速： 轉(zhuǎn)/分，

即步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運(yùn)行拍數(shù)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)多，齒距角就小，步距角也就越小，位置精確度就越高。轉(zhuǎn)子齒數(shù)多，步距角就小。

除三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)外，還有四相、五相、六相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

2.永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

圖5-18永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

由于在磁路中含有永久磁鋼，所以，永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組斷電后，仍有一定的定位轉(zhuǎn)矩。

3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)有：

(1)步距精度。空載時(shí)，以單脈沖輸入，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際步距角與理論步距角之差稱(chēng)為靜態(tài)步距角誤差，以偏差的角度或相對(duì)百分?jǐn)?shù)來(lái)衡量。我國(guó)生產(chǎn)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距精度一般在±10～±30分的范圍，有些可達(dá)±2～±5分。

(2)最大靜轉(zhuǎn)距。轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，能與最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的電磁轉(zhuǎn)矩稱(chēng)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。它是衡量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載能力的主要指標(biāo)。

(3)起動(dòng)頻率。使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能夠由靜止定位狀態(tài)不失步地起動(dòng)，并進(jìn)入正常運(yùn)行的控制脈沖最高頻率，稱(chēng)為起動(dòng)頻率。在電動(dòng)機(jī)空載情況下，稱(chēng)為空載起動(dòng)頻率。在有負(fù)載情況下，不失步起動(dòng)所允許的最高頻率將大大降低。

(4)連續(xù)運(yùn)行頻率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，其轉(zhuǎn)速將跟隨控制脈沖頻率連續(xù)上升而不失步的控制脈沖的最高頻率，稱(chēng)為連續(xù)運(yùn)行頻率的最高工作頻率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)行頻率隨負(fù)載的增大而下降，但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行頻率遠(yuǎn)高于其起動(dòng)頻率。

(二)步進(jìn)電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求

電源的相數(shù)、電壓、電流、通電方式與步進(jìn)電機(jī)的要求相適應(yīng);

滿(mǎn)足啟動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率的要求

工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)

成本低，效率高，安裝和維護(hù)方便

驅(qū)動(dòng)電源由環(huán)形分配器和功率驅(qū)動(dòng)器組成。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

(1)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速主要取決于脈沖的頻率，轉(zhuǎn)數(shù)取決于脈沖數(shù)。

(2)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距值不受各種干擾因素的影響。

(3)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每走一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度(實(shí)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(huì)有一定的累積誤差，但每轉(zhuǎn)一圈的累積誤差為零。步距誤差不長(zhǎng)期積累。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是過(guò)載能力比較差。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要用于開(kāi)環(huán)位置控制。它由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成，沒(méi)有反饋環(huán)節(jié)。這種系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，控制和維修也比較方便。由于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)精度不高，且步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率和速度也不高，因此這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)僅用于小容量、速度低和精度不太高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和電加工機(jī)床、計(jì)算機(jī)的打印機(jī)、繪圖儀等外部設(shè)備。

三、直流伺服電動(dòng)機(jī)及其速度控制

以直流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件的伺服系統(tǒng)即為直流伺服系統(tǒng)。直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速性能，尤其是他勵(lì)(永磁)直流伺服電動(dòng)機(jī)，其機(jī)械特性比較硬，即負(fù)載增加時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的降幅很小。

(一)直流伺服電動(dòng)機(jī)

1.直流主軸電動(dòng)機(jī)。直流主軸電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與普遍直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)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(bǔ)償繞組，其作用是為了抵消轉(zhuǎn)子反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)對(duì)氣隙主磁通的影響，改善電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能。換向磁極的作用是為了改善電動(dòng)機(jī)的換向性能。直流主軸電動(dòng)機(jī)都采用軸向強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻或熱管冷卻，以改善冷卻效果，避免電動(dòng)機(jī)熱量傳到主軸。電動(dòng)機(jī)尾部還同軸安裝有測(cè)速發(fā)電機(jī)作為速度反饋元件。

圖5-19　直流主軸電動(dòng)機(jī)特性曲線(xiàn)

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

2.進(jìn)給直流伺服電動(dòng)機(jī)。在數(shù)控機(jī)床的直流進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，多采用永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。

永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)本體和檢測(cè)部件組成。電動(dòng)機(jī)本體主要由機(jī)殼、定子磁極和轉(zhuǎn)子三部分組成。

永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的定子磁極是一個(gè)永磁體。不需要?jiǎng)?lì)磁功率。在同樣的輸出功率時(shí)體積和重量較小。

反饋用的檢測(cè)部件同軸安裝在電動(dòng)機(jī)的尾部(非軸伸出端)。

永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子分為小慣量型和普通型兩類(lèi)。

小慣量型轉(zhuǎn)子又可分無(wú)槽轉(zhuǎn)子、空心杯形轉(zhuǎn)子和印刷繞組轉(zhuǎn)子。三種小慣量型轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)的共同特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子慣量小，適合于快速響應(yīng)的伺服系統(tǒng)。但其過(guò)載能力低，當(dāng)用于數(shù)控機(jī)床等進(jìn)給伺服系統(tǒng)中時(shí)，由于轉(zhuǎn)子慣量與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)匹配較差，電動(dòng)機(jī)與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)不能直接相連，必須采取一些措施。

普通型轉(zhuǎn)子永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)具有以下一些特點(diǎn)：

(1)低速時(shí)輸出的轉(zhuǎn)矩大，慣量比較大，能與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)直接相連，省去齒輪等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而有利于減小機(jī)械振動(dòng)和噪聲，以及齒隙誤差。

(2)轉(zhuǎn)子的熱容量大，電動(dòng)機(jī)的過(guò)載性能好，一般能加倍過(guò)載幾十分鐘。

(3)調(diào)速范圍寬，當(dāng)與高性能速度控制單元組成速度控制系統(tǒng)時(shí)，調(diào)速范圍可達(dá)1:1000以上。

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（責(zé)任編輯：中大編輯）

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