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二、步进电动机及其驱动

(一)步进电动机

步进电动机是一种同步电动机，是一种将电脉冲信号转换成角位移(或直线位移)的执行元件。这种电动机，每施加一个电脉冲，其转轴就转过一个角度，称为一步。脉冲数增加，角(或直线)位移随之增加;脉冲频率高，电动机旋转速度就快，反之则慢;分配脉冲的相序改变，电动机便反转。

步进电动机绕组所加电源既不是恒定直流，也不是正弦交流，而是脉冲电压，所以有时也称为脉冲电动机。步进电动机的种类很多，有多种分类方法。若按工作原理分类，则可将步进电动机分为：

反应式(磁阻式)、电磁式、永磁式和永磁感应子式步进电动机。其中反应式和永磁感应子式步进电动机比较常用。

1.反应式步进电动机

电动机定子有A、B、C三对磁极。在相应的磁极上绕有A、B、C三相控制绕组。

当A、B、C三对磁极的绕组依次轮流通过直流电时，则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。

首先，当A相绕组通电，B、C两相断电时，转子的齿1、3分别被定子磁极A—A’吸引而对齐。

然后，A相断电，B相通电，于是转子的2、4两齿被定子磁极B—B’吸引，这时转子逆时针转了300.，接下去B相断电，C相通电，转子1、3齿与定子磁极C-C′轴线对齐，转子又逆时针转过了300。

这种按A→B→C→A→B→C→A…顺序轮流通电的方式称为三相单三拍。“三相”是指定子有三相绕组A、B、C，“单”是指每次只有一相绕组单独通电，“三拍”是指经过三次经过切换控制绕组的通电状态为一个循环。每一拍，即输入一个脉冲信号，都使转子转过一个角度，称之为步距角θs。其计算公式如下：

齿距角：即相邻两齿所对应的空间角度

Zr—转子齿数

步距角

N—运行拍数 K=1

θs=360/3×1×4=30°

步进电动机也可以采用三相单、双拍通电方式，通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A……

三相绕组经过六次切换完成一个循环，因而称为单双六拍。

步距角：

N=mk K=2 m=3

θs=360/3×2×4=15°

转速： 转/分，

即步进电机转速取决于脉冲频率、转子齿数和运行拍数。

步进电动机的转子齿数多，齿距角就小，步距角也就越小，位置精确度就越高。转子齿数多，步距角就小。

除三相反应式步进电动机外，还有四相、五相、六相反应式步进电动机。

2.永磁感应子式步进电动机

图5-18永磁感应子式步进电动机

由于在磁路中含有永久磁钢，所以，永磁感应子式步进电动机的定子绕组断电后，仍有一定的定位转矩。

3.步进电动机的主要性能指标。步进电动机的主要性能指标有：

(1)步距精度。空载时，以单脉冲输入，步进电动机的实际步距角与理论步距角之差称为静态步距角误差，以偏差的角度或相对百分数来衡量。我国生产的步进电动机的步距精度一般在±10～±30分的范围，有些可达±2～±5分。

(2)最大静转距。转子处于静止状态时，能与最大负载转矩相平衡的电磁转矩称为步进电动机的最大转矩。它是衡量步进电动机带负载能力的主要指标。

(3)起动频率。使步进电动机能够由静止定位状态不失步地起动，并进入正常运行的控制脉冲最高频率，称为起动频率。在电动机空载情况下，称为空载起动频率。在有负载情况下，不失步起动所允许的最高频率将大大降低。

(4)连续运行频率。步进电动机起动后，其转速将跟随控制脉冲频率连续上升而不失步的控制脉冲的最高频率，称为连续运行频率的最高工作频率。步进电动机的连续运行频率随负载的增大而下降，但步进电动机连续运行频率远高于其起动频率。

(二)步进电机对驱动电源的要求

电源的相数、电压、电流、通电方式与步进电机的要求相适应;

满足启动频率和运行频率的要求

工作可靠、抗干扰能力强

成本低，效率高，安装和维护方便

驱动电源由环形分配器和功率驱动器组成。

步进电动机具有独特的优点：

(1)步进电动机的转速主要取决于脉冲的频率，转数取决于脉冲数。

(2)步进电动机的步距值不受各种干扰因素的影响。

(3)步进电动机每走一步所转过的角度(实际步距值)与理论步距值之间总有一定的误差。从某一步到任何一步，也总会有一定的累积误差，但每转一圈的累积误差为零。步距误差不长期积累。

步进电动机的缺点是过载能力比较差。

步进电动机伺服驱动系统主要用于开环位置控制。它由步进电动机驱动电源和步进电动机组成，没有反馈环节。这种系统比较简单，控制和维修也比较方便。由于开环系统精度不高，且步进电动机的功率和速度也不高，因此这种驱动系统仅用于小容量、速度低和精度不太高的经济型数控机床和电加工机床、计算机的打印机、绘图仪等外部设备。

三、直流伺服电动机及其速度控制

以直流伺服电动机作为驱动元件的伺服系统即为直流伺服系统。直流伺服电动机具有良好的调速性能，尤其是他励(永磁)直流伺服电动机，其机械特性比较硬，即负载增加时，电动机转速的降幅很小。

(一)直流伺服电动机

1.直流主轴电动机。直流主轴电动机的结构与普遍直流电动机的结构基本相同。

定子也有主磁极和换向磁极，采用矽钢片叠成。在主磁极上绕有补偿绕组，其作用是为了抵消转子反应磁动势对气隙主磁通的影响，改善电动机的调速性能。换向磁极的作用是为了改善电动机的换向性能。直流主轴电动机都采用轴向强迫通风冷却或热管冷却，以改善冷却效果，避免电动机热量传到主轴。电动机尾部还同轴安装有测速发电机作为速度反馈元件。

图5-19　直流主轴电动机特性曲线

在基本速度nj以下为恒转矩范围，在基本速度nj以上为恒功率范围。通常恒转矩速度范围与恒功率速度范围之比为1:2。

2.进给直流伺服电动机。在数控机床的直流进给伺服驱动系统中，多采用永磁直流伺服电动机作为驱动元件。

永磁直流伺服电动机由电动机本体和检测部件组成。电动机本体主要由机壳、定子磁极和转子三部分组成。

永磁直流伺服电动机的定子磁极是一个永磁体。不需要励磁功率。在同样的输出功率时体积和重量较小。

反馈用的检测部件同轴安装在电动机的尾部(非轴伸出端)。

永磁直流伺服电动机的转子分为小惯量型和普通型两类。

小惯量型转子又可分无槽转子、空心杯形转子和印刷绕组转子。三种小惯量型转子直流伺服电动机的共同特点是转子惯量小，适合于快速响应的伺服系统。但其过载能力低，当用于数控机床等进给伺服系统中时，由于转子惯量与机械传动系统匹配较差，电动机与机械传动系统不能直接相连，必须采取一些措施。

普通型转子永磁直流伺服电动机具有以下一些特点：

(1)低速时输出的转矩大，惯量比较大，能与机械传动系统直接相连，省去齿轮等传动机构，从而有利于减小机械振动和噪声，以及齿隙误差。

(2)转子的热容量大，电动机的过载性能好，一般能加倍过载几十分钟。

(3)调速范围宽，当与高性能速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围可达1:1000以上。

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（责任编辑：中大编辑）

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