電機(jī)及電力拖動 第16章步進(jìn)電動機(jī)

第十六章步進(jìn)電動機(jī)16.1工作原理16.2運(yùn)行特性16.3驅(qū)動電源步進(jìn)電動機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)展控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電機(jī)，說得通俗一點(diǎn)，就是給一個(gè)脈沖信號，電動機(jī)就轉(zhuǎn)動一個(gè)角度或前進(jìn)一步。因此，這種電動機(jī)也稱為脈沖電動機(jī)。16.1任務(wù)原理右圖是一個(gè)三相反響式步進(jìn)電動機(jī)，定、轉(zhuǎn)子鐵心由硅鋼片疊成。定子有六個(gè)磁極，每兩個(gè)相對的極繞有一相控制繞組，轉(zhuǎn)子只需四個(gè)齒，齒寬等于定子極靴寬，上面沒有繞組。如圖a所示,當(dāng)U相控制繞組通電，而V相、W相都不通電時(shí)，由于磁通具有力圖走磁阻最小途徑的特點(diǎn)，所以轉(zhuǎn)子齒1和3的軸線與定子U極軸線對齊。如圖b所示,U相斷電、V相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子便逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過30°，使轉(zhuǎn)子齒2和4的軸線與定子V極軸線對齊。如圖c所示,V相斷電、接通W相，轉(zhuǎn)子再過30°，轉(zhuǎn)子齒1和3的軸線與W極軸線對齊。三相單三拍運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)反響式步進(jìn)電動機(jī)任務(wù)原理圖如此按U-V-W-U……順序不斷接通和斷開控制繞組，轉(zhuǎn)子就會一步一步地按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速取決于控制繞組通電和斷電的頻率〔即輸入的脈沖頻率〕，旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪番通電的順序，假設(shè)步進(jìn)電動機(jī)通電次序改為U-W-V-U……那么步進(jìn)電動機(jī)反向轉(zhuǎn)動。上述通電方式，稱為三相單三拍?！皢唯暿侵该看沃恍枰幌嗫刂评@組通電，“三拍〞是指三次切換通電情況為一個(gè)循環(huán)，第四拍就反復(fù)第一拍通電的情況。步進(jìn)電動機(jī)每拍轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角位移稱為步距角。三相單三拍通電方式時(shí)，步距角為30°。如圖a所示,當(dāng)U相控制繞組通電時(shí)，和單三拍運(yùn)轉(zhuǎn)的情況一樣，轉(zhuǎn)子齒1和3的軸線與定子U極軸線對齊。如圖c所示，當(dāng)斷開U相使V相單獨(dú)接通時(shí)，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，直到轉(zhuǎn)子齒2和4的軸線與定子V極軸線對齊為止，這時(shí)轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過15°角度。如圖b所示,當(dāng)U、V相控制繞組同時(shí)接通時(shí)，轉(zhuǎn)子的位置，應(yīng)兼顧到使U、V兩對極所構(gòu)成的兩路磁通，在氣隙中所遇到的磁阻同樣程度地到達(dá)最小。這時(shí)相鄰兩個(gè)U、V磁極與轉(zhuǎn)子齒相作用的磁拉力大小相等且方向相反，使轉(zhuǎn)子處于平衡。這樣，當(dāng)U相通電轉(zhuǎn)到U、V兩相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子只能逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過15°。單、雙六拍運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)三相反響式步進(jìn)電動機(jī)如通電順序改為U-UW-W-WV-V-VU-U時(shí)，電動機(jī)將按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。對這種通電方式，定子三相控制繞組需經(jīng)過六次換接才干完成一個(gè)循環(huán)，故稱為“六拍〞。同時(shí)這種通電，有時(shí)是單個(gè)控制繞組接通，有時(shí)又是兩個(gè)控制繞組同時(shí)接通，因此稱為單、雙六拍。采用單、雙拍通電方式時(shí)，步距角要比單拍通電方式減小一半〔即=15°〕。上述簡單的三相反響式步進(jìn)電動機(jī)的步距角太大，即每一步轉(zhuǎn)過的角度太大，很難滿足消費(fèi)中所提出位移量要小的要求。下面引見三相反響式步進(jìn)電動機(jī)的一種典型構(gòu)造。在右圖中，三相反響式步進(jìn)電動機(jī)定子上有六個(gè)極，上面裝有控制繞組聯(lián)成U、V、W三相。轉(zhuǎn)子圓周上均勻分布假設(shè)干個(gè)小齒，定子每個(gè)磁極靴上也有假設(shè)干個(gè)小齒。以轉(zhuǎn)子齒數(shù)zr=40，相數(shù)m=3，一相繞組通電時(shí)，在氣隙圓周上構(gòu)成的磁極數(shù)2p=2，三相單三拍運(yùn)轉(zhuǎn)為例：每一齒距的空間角每一極距的空間角每一極距所占的齒數(shù)小步距角的三相反響式步進(jìn)電動機(jī)當(dāng)U-U′極下的定、轉(zhuǎn)子齒對齊時(shí)，V-V′極的定子齒和轉(zhuǎn)子齒必然錯開1/3齒距，即為3°，如下圖的展開圖。由于每一極距所占的齒數(shù)不是整數(shù)，由上圖可以看出，假設(shè)斷開U相控制繞組而接通V相控制繞組，這時(shí)步進(jìn)電動機(jī)中產(chǎn)生沿V-V′極軸線方向的磁場，因磁通力圖走磁阻最小途徑閉合，就使轉(zhuǎn)子遭到同步轉(zhuǎn)矩的作用而轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動1/3齒距〔3°〕，直到使V-V′極下的定子齒和轉(zhuǎn)子齒對齊。相應(yīng)地U-U′極和W-W′極下的定子齒又分別和轉(zhuǎn)子齒相錯1/3齒距。按此順序延續(xù)不斷地通電，轉(zhuǎn)子便延續(xù)不斷地一步一步轉(zhuǎn)動。假設(shè)采用三相單、雙六拍通電方式運(yùn)轉(zhuǎn)，即按U-UV-V-VW-W-WU-U順序循環(huán)通電，同樣步距角也要減少一半，即每一脈沖時(shí)轉(zhuǎn)子僅轉(zhuǎn)動1.5°。假設(shè)脈沖頻率很高，步進(jìn)電動機(jī)控制繞組中送入的是延續(xù)脈沖，各相繞組不斷地輪番通電，步進(jìn)電動機(jī)不是一步一步地轉(zhuǎn)動，而是延續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。每分鐘轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的圓周數(shù)即轉(zhuǎn)速為16.2運(yùn)轉(zhuǎn)特性16.2.1靜態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)形狀步進(jìn)電動機(jī)不改動通電的形狀稱為靜態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)形狀。靜態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)形狀下步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角特性，簡稱矩角特性T=f(θ)，是步進(jìn)電動機(jī)的根本特性。步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩就是同步轉(zhuǎn)矩〔即電磁轉(zhuǎn)矩〕，轉(zhuǎn)角就是通電相的定、轉(zhuǎn)子齒中心線間用電角度表示的夾角θ，如下圖?？梢娹D(zhuǎn)矩T隨轉(zhuǎn)角θ作周期變化，變化周期是一個(gè)齒距，即2π電弧度。定轉(zhuǎn)子間作用力實(shí)際閱歷證明:反響式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)角特性接近正弦曲線，如圖反響步進(jìn)電動機(jī)的矩角特性。在θ=0處，轉(zhuǎn)子處于穩(wěn)定平衡位置,即通電相定、轉(zhuǎn)子齒對齊位置。由于當(dāng)轉(zhuǎn)子處于這個(gè)位置時(shí)，如有外力使轉(zhuǎn)子齒偏離這個(gè)位置，只需偏離角θ在0°＜θ＜180°的范圍內(nèi)，除去外力，轉(zhuǎn)子能自動地重新回到原來位置。θ=±π這個(gè)位置是不穩(wěn)定的，兩個(gè)不穩(wěn)定點(diǎn)之間的區(qū)域構(gòu)成靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Tmax，它表示了步進(jìn)電動機(jī)接受負(fù)載的才干，是步進(jìn)電動機(jī)最主要的性能目的之一。16.2.2步進(jìn)運(yùn)轉(zhuǎn)形狀步進(jìn)電動機(jī)的步進(jìn)運(yùn)轉(zhuǎn)形狀與控制脈沖的頻率有關(guān)。當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)在極低的頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，后一個(gè)脈沖到來之前，轉(zhuǎn)子已完成一步，并且運(yùn)動已根本停頓，這時(shí)電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)形狀由一個(gè)個(gè)單步運(yùn)轉(zhuǎn)形狀所組成。步進(jìn)電動機(jī)的單步運(yùn)轉(zhuǎn)形狀為一振蕩過程。如圖

步進(jìn)電動機(jī)在延續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)形狀時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電動機(jī)的最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩將小于最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，并隨著脈沖頻率的升高而降低。頻率很高，周期很短，電流來不及增長，顯然，動態(tài)轉(zhuǎn)矩也減小了。步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩與頻率的關(guān)系，即所謂矩頻特性，是一條下降的曲線，如下圖，這也是步進(jìn)電動機(jī)重要特