旋转变压器第8章步进电动机.pdf

8.1 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8 - 1所示。 图8 - 1 步进电动机的功用 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8- 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8 - 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。 图8 - 2 步进电动机的控制特性 在现代工业，特别是航空、 、 无线电等工 业 中，要求加工的机械零件形状复杂， 数量多， 精 度高 ， 利用人工操作不仅劳动强度大， 生产效率低，而且难 以达到所要求的精度。 例如图8 - 3是一个劈锥，形状比 较复杂， 精度要求比较高， 用普通机床或仿形机床加工 都是有 的； 通常用坐标镗床一点一点地 加工， 然后进行人工修整，这样耗费的时间就太长了。 为了缩短生产周期， 提高生产效率， 可用程序控制铣 床进行加工。 铣床需要作3种动作： 图8 - 3 复杂零件的加工 (1)铣刀作径向移动(Y方向) ； (2)工件以轴为中心作旋转(θ方向) ； (3)工件沿轴向移动(X方向) 。 为了达到精度要求，对这 3 种动作必须非常准确地 进行控制。 数字程序控制铣床就是可以准确地进行自动 控制的机床。在数控铣床中，上面 3 个方向的动作分别 由3 个步进电动机即Y方向步进机，X方向步进机， θ方 向步进机来拖动， 每一个方向步进电动机都由电脉冲控 制。加工零件时， 根据零件加工的要求和加工的工序编 制计算机程序语言， 并将该程序送入电子计算机；计算 机就对每一方向的步进电动机给出相应的控制电脉冲， 指令步进电动机按照加工的要求依次做各种动作， 如转 速加快、减慢、 启动、停止、正转、反转等；然后步 进电动机再通过滚珠丝杠带动机床运动。 数控机床整个 工作示意图如图8 - 4所示。 图8 - 4 数控机床工作示意图 这样， 由于机床各个方向严格地按照根据零件加工 的形状所编的控制程序协调地动作， 因此可以不要人 工操作就能自动地加工出精度高、 形状复杂的零件。 由此可见， 利用数控机床加工零件不但可以大大地 提高劳动效率， 而且加工精度 也高。 除了数控铣床外， 还有数控车床、 数控钻床、 线 切割机床等， 其工作原理都与数控铣床相类似。 目前， 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是： (1) 步进电动机在电脉冲的控制下能迅速启动、 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。 即不仅启动、 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。 8.2 反应式步进电动机的工作原理 和基本特点 8.2.1 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、 永 磁式和感应子式。 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， 也是利用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差 所引起的反应转矩而转动的。 反应式同步电动机的工作原理可以用下图来说明。 图中外边的磁极表示定子绕组所产