控制电机第11章 步进电机.ppt

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第十一章 步进电动机 chapter11 Stepper motor 11.1 概 述 步进电动机又称为脉冲电动机,是数字控制系统中的一种执行元件。其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移,即给一个脉冲电信号,电动机就转动一个角度或前进一步,如图11 - 1所示。 图 11 - 1 步进电动机的功用 图 11 - 2 步进电动机的控制特性 步进电动机的角位移量θ或线位移量s与脉冲数k成正比,如图11 - 2(a)所示;它的转速n,或线速度v与脉冲频率f成正比,如图11 - 2(b)所示。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。因而可适用于开环系统中作执行元件,使控制系统大为简化。步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速;能够快速启动、反转和制动。它不需要变换能直接将数字脉冲信号转换为角位移,很适合采用微型计算机控制。 步进电动机是数控机床中的关键元件。步进电动机的功率做得越来越大,已生产出所谓“功率步进电动机”。它可以不通过力矩放大装置,直接由功率步进电动机来带动机床运动,从而提高了系统精度,简化了传动系统的结构。从数控机床加工过程来看,对步进电动机的基本要求: (1) 步进电动机在电脉冲的控制下能迅速起动、正反转、停转及在很宽的范围内进行转速调节; (2) 为了提高精度,要求一个脉冲对应的位移量小,并要准确、均匀。这就要求步进电动机步距小、步距精度高,不得丢步或越步; (3) 动作快速。即不仅起动、停步、反转快,并能连续高速运转以提高劳动生产率; (4) 输出转矩大,可直接带动负载。 11.2 反应式步进电动机的工作原理和基本特点 11.2.1 典型结构和工作原理 按励磁方式分类,步进电动机可分为反应式(Variable Reluctance, VR)、永磁式(Permanent Magnet, PM)和混合式(Hybrid, HB)。其中反应式步进电动机用得比较普遍,结构也较简单,所以着重分析这类电机。 反应式步进电动机的工作原理与反应式同步电动机一样,也是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动的。为了便于说清问题,先以一个最简单的三相反应式步进电动机为例。 图11 - 6是一台三相反应式步进电动机,定子有 6 个极,不带小齿,每两个相对的极上绕有一相控制绕组,转子只有 4 个齿,齿宽等于定子的极靴宽。 1. 三相单三拍运行 (a) (b) (c) 图 11 - 6 三相单三拍运行 (a) A相接通; (b) B相接通; (c) C相接通 三相绕组的通电顺序为: A?B?C?A 共三拍 转向:1)若绕组的通电方式变为A?C?B?A,则电机反向运转; 2)改变绕组中电流方向,不会改变电机的转向。 2. 三相六拍运行 三相绕组的通电顺序为: A?AB?B?BC?C?CA?A 。共六拍 (a) (b) (c) 图 11 - 7 三相六拍运行 (a) A相通电; (b) A、 B相通电;(c) B相通电 总之,每个循环周期,有六种通电状态,所以称为三相六拍,步距角为15?。 转向:1)若绕组的通电方式变为A?AC ?C ? CB?B ?B A?A, 则电机反向运转; 2)改变绕组中电流方向,不会改变电机的转向。 3.三相双三拍 三相绕组的通电顺序为: AB ? BC ? CA ? AB 。共三拍。 工作方式为三相双三拍时,每通入一个电脉冲,转子也是转30?,即 ? = 30?。 图11 – 5 四相反应式步进电动机的结构 图11–8 A相通电时定、 转子齿的相对位置 如果运行方式改为四相八拍, 其通电方式为A - AB - B - BC - C - CD - D - DA - A …… 即单相通电和两相通电相间时,与上面三相步进电动机道理完全一样,当A相通电转到A、B两相同时通电时,定、转子齿的相对位置由图11 - 8所示的位置变为图11 - 9那样的位置(只画出A、 B两个极下的齿),转子按顺时针方向只转过1/8齿距角,即0.9°, A极和B极下的齿轴线与转子齿轴线都还错开1/8齿距角。

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