数控技术52.

步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的。当定 子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次 产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁引力， 将其吸引过来，而使转子一步步转动。每当转子某一 对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小， 转矩为零。如果控制线路不停地按一定方向切换定子 绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转动。步进 电机每次转过的角度称为步距角，记为 。
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开环步进伺服系统
一、步进电机工作原理 步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系 统中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换 成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通 过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了 驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由 步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通 电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈检测环 节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电 机性能的限制。
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2. 静态转矩与矩角特性 当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿 对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（θ ＝0）。如果 在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方 向转过一个角度θ 角度,θ 称为失调角。 有失调角之后，步进电机就产生一个静 态转矩（也称为电磁转矩），这时静态 转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角 θ 的关系叫矩角特性，如右图所示，近 似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转 矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定 区内，当外加负载转矩除去时，转子在 电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点 位置（θ ＝0）。
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采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按AB→BC→CA→AB（逆 时针方向）或AC→CB→BA→AC（顺时针方向）进行，其步距角仍为 300。由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相 绕组通电，所以工作比较稳定。如果按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序 通电，即首先A相通电，然后A相不断电，B相再通电，即A、B两相同 时通电，接着A相断电而B相保持通电状态，然后再使B、C两相通电， 依次类推，每切换一次，步进电机逆时针转过15°。如通电顺序改为 A→AC→C→CB→B→BA→A，则步进电机以步距角15°顺时针旋转。这 种控制方式为三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而 精度更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此 这种方式被大量采用。 实际应用的步进电机，转子铁心和定子磁极上均有齿距相等的 小齿，且齿数要有一定比例的配合。
图5-14 静态矩角特性
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3.最大启动转矩
右下图为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分别是相邻A相 和B相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最 大启动转矩。如果外加负载转矩大于它，电机就不能启动。如图所示,
当A相通电时，若外加负载
M A B C Mjmax
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为进一步了解 步进电机的工作原 理，以右图为例来 说明其转动的整个 过程，假设转子上 有四个齿，相邻两 齿间夹角（齿距角） 为900。当A相通电 时，转子1、3齿被 磁极A产生的电磁引 力吸引过去，使1、 3齿与A相磁极对齐。
图5-13 步进电机工作原理
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转矩，对应的失调角 ， 当励磁电流由A相切换到B 相时，对应角 ，B相的静 转矩为M 。从图中看出, 电机不能带动负载做步进 运动，因而启动转矩是电 机能带动负载转动的极限 转矩。
图5-15 步进电机的启动转矩
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4. 启动频率 空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失 步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给 步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。 步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载 要低。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会 进一步降低。 5. 连续运行频率 步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连 续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值 远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异， 与驱动电源也有很大关系。
接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿 2 、 4 吸引过来，使转子按逆时针方向转动 30o 。然后 C 相通电， B 相 断 电 ， 转 子 又 逆 时 针 旋 转 30o ， 依 次 类 推 ， 定 子 按 A→B→C→A顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动， 每步转30o。若改变通电顺序，按A→C→B→A使定子绕组通电， 步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30o。这种控制方 式叫三相单三拍方式，“单”是指每次只有一相绕组通电， “三拍”是指每三次换接为一个循环。由于每次只有一相绕 组通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步，另外，只 有一相绕组通电，易在平衡位置附近产生振荡，稳定性不佳， 故实际应用中不采用单三拍工作方式。
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二、步进电机的主要性能指标 1. 步距角和步距误差 步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：
式中
360 ＝ KmZ ： —步进电机的步距角；
m—电机相数； Z—转子齿数； K—系数，相邻两次通电相数相同，K＝1； 相邻两次通电相数不同，K＝2。
同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、 1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距误差是指步进电机运行时， 转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时， 上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。由于步进电机转过一 转后，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以 一转为周期重复出现。
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步进电机在结构上分 为定子和转子两部分，现 以右图所示的反应式三相 步进电机为例加以说明。 定子上有六个磁极，每个 磁极上绕有励磁绕组，每 相对的两个磁极组成一相， 分成A、B、C三相。转子无 绕组，它是由带齿的铁心 图5-12 三相反应式步进电机结构 做成的。
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