常用電機(jī)與控制—步進(jìn)電機(jī)

1、常用電機(jī)與控制步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電動機(jī)一般電動機(jī)都是連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而步進(jìn)電動卻是一步一步轉(zhuǎn)動的，故叫步進(jìn)電動機(jī)。每輸入一個沖信號，該電動機(jī)就轉(zhuǎn)過一定的角度（有的步進(jìn)電動機(jī)可以直接輸出線位移，稱為直線電動機(jī)）。因此步進(jìn)電動機(jī)是一種把脈沖變?yōu)榻嵌任灰疲ɑ蛑本€位移）的執(zhí)行元件。步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子為多極分布，定子上嵌有多相星形連接的控制繞組，由專門電源輸入電脈沖信號，每輸入一個脈沖信號，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子就前進(jìn)一步。由于輸入的是脈沖信號，輸出的角位移是斷續(xù)的，所以又稱為脈沖電動機(jī)。隨著數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展，步進(jìn)電動機(jī)的應(yīng)用將逐漸擴(kuò)大。步進(jìn)電動機(jī)的種類很多，按結(jié)構(gòu)可分為反應(yīng)式和激勵式兩種；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和

2、多相三種。圖1 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖圖1是反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，它的定子具有均勻分布的六個磁極，磁極上繞有繞組。兩個相對的磁極組成一組，聯(lián)法如圖所示。 下面介紹反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)單三拍、六拍及雙三拍通電方式的基本原理。一、單三拍通電方式的基本原理設(shè)A相首先通電（B、C兩相不通電），產(chǎn)生A-A軸線方向的磁通，并通過轉(zhuǎn)子形成閉合回路。這時A、A極就成為電磁鐵的N、S極。在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子總是力圖轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，也就是要轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子的齒對齊A、A極的位置（圖2a）；接著B相通電（A、C兩相不通電），轉(zhuǎn)了便順時針方向轉(zhuǎn)過30，它的齒和C、C極對齊（圖2c）。不難理解，當(dāng)脈沖信號一個一個發(fā)

3、來時，如果按ACBA的順序通電，則電機(jī)轉(zhuǎn)子便逆時針方向轉(zhuǎn)動。這種通電方式稱為單三拍方式。圖2 單三拍通電方式時轉(zhuǎn)子的位置二、六拍通電方式的基本原理設(shè)A相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子A、A對齊（圖3a）。然后在A相繼續(xù)通電的情況下接通B相。這時定子B、B極對轉(zhuǎn)子齒2、4產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動，但是A、A極繼續(xù)拉住齒1、3，因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個磁拉力平衡為止。這時轉(zhuǎn)子的位置如圖3b所示，即轉(zhuǎn)子從圖(a)位置順時針轉(zhuǎn)過了15。接著A相斷電，B相繼續(xù)通電。這時轉(zhuǎn)子齒2、4和定子B、B極對齊（圖c），轉(zhuǎn)子從圖(b)的位置又轉(zhuǎn)過了15。其位置如圖3d所示。這樣，如果按AA、BBB、CCC、AA的順序輪流

4、通電，則轉(zhuǎn)子便順時針方向一步一步地轉(zhuǎn)動，步距角15。電流換接六次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)了一個齒距角。如果按AA、CCC、BBB、AA的順序通電，則電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動。這種通電方式稱為六拍方式。a.A相通電 b.A、B相通電 c.B相通電 d.B、C相通電圖3 六拍通電時轉(zhuǎn)子位置 三、雙三拍通電方式的基本原理如果每次都是兩相通電，即按A、BB、CC、AA、B的順序通電，則稱為雙三拍方式，從圖3b，和圖3d可見，步距角也是30。因此，采用單三拍和雙三拍方式時轉(zhuǎn)子走三步前進(jìn)了一個齒距角，每走一步前進(jìn)了三分之一齒距角；采用六拍方式時，轉(zhuǎn)子走六步前進(jìn)了一個齒距角，每走一步前進(jìn)了六分之一齒距角。因此

5、步距角可用下式計算：360/Zrm式中Zr是轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m是運行拍數(shù)。一般步進(jìn)電動機(jī)最常見的步距角是3或15。由上式可知，轉(zhuǎn)子上不只4個齒（齒距角90），而有40個齒（齒距角為9）。為了使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對齊，兩者的齒寬和齒距必須相等。因此，定子上除了6個極以外，在每個極面上還有5個和轉(zhuǎn)子齒一樣的小齒。步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。圖4 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)圖由上面介紹可知，步進(jìn)電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、精確度高、起動靈敏、停車準(zhǔn)確等性能。此外，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速決定于電脈沖頻率，并與頻率同步。四、步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源步進(jìn)電動機(jī)需配置一個專用的電源供電，電源的作用是讓電動機(jī)的控制繞組按照特

6、定的順序通電，即受輸入的電脈沖控制而動作，這個專用電源稱為驅(qū)動電源。步進(jìn)電動機(jī)及其驅(qū)動電源是一個互相聯(lián)系的整體，步進(jìn)電動機(jī)的運行性能是由電動機(jī)和驅(qū)動電源兩者配合所形成的綜合效果。1、對驅(qū)動電源的基本要求（1）驅(qū)動電源的相數(shù)、通電方式和電壓、電流都工滿足步進(jìn)電動機(jī)的需要；（2）要滿足步進(jìn)電動機(jī)的起動頻率和運行頻率的要求；（3）能最大限度地抑制步進(jìn)電動機(jī)的振蕩；（4）工作可靠，抗干擾能力強；（5）成本低、效率高、安裝和維護(hù)方便。2、驅(qū)動電源的組成步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源基本上由脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和脈沖放大器（也稱功率放大器）三部分組成，如圖5所示。圖5 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源的方框圖（1）脈沖發(fā)生器

7、脈沖發(fā)生器是一個脈沖頻率由幾赫到幾十千赫可連續(xù)變化的脈沖信號發(fā)生器。脈沖發(fā)生器可以采用多種線路，最常見的有多諧振蕩器和單結(jié)晶體管構(gòu)成的張弛振蕩器兩種，它們都是通過調(diào)節(jié)電阻R和電容C的大小來改變電容器充放電的時間常數(shù)，以達(dá)到改變脈沖信號頻率的目的。圖6是兩種實用的多諧振蕩電路，它們分別由反相器和非門構(gòu)成，振蕩頻率由RC決定，改變R值即可改變脈沖頻率。圖6 脈沖發(fā)生器實用電器（點擊看大圖）（2）脈沖分配器脈沖分配器中由門電路和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的邏輯電路，它根據(jù)指令把脈沖信號按一定的邏輯關(guān)系加在脈沖放大器上，使步進(jìn)電動機(jī)按確定的運行方式工作。下面著重介紹CH250環(huán)形脈沖分配器。 CH250環(huán)形脈沖

8、分配器是三相步進(jìn)電動機(jī)的理想脈沖分配器，通過其控制端的不同接法可以組成三相雙三拍和三相六拍的不同工作方式，如圖7、圖8所示。圖7 CH250三相雙三拍接法圖8 CH250三相六拍接法J3r、J3L兩端子是三相雙三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相雙三拍工作時，若J3r“1”，而J3L“0”，則電機(jī)正轉(zhuǎn)；若J3r“0”，J3L“1”，則電機(jī)反轉(zhuǎn)；三相六拍供電時，若J6r“1”，J6L“0”，則電機(jī)正轉(zhuǎn)；若J6r“0”，J6L“1”，電機(jī)反轉(zhuǎn)。R2是雙三拍的復(fù)位端，R1是六拍的復(fù)位端，使用時，首先將其對應(yīng)復(fù)位端接入高電平，使其進(jìn)入工作狀態(tài)，然后換接到工作位置。CL端是時鐘脈沖輸入端

9、，EN是時鐘脈沖允許端，用以控制時鐘脈沖的允許與否。當(dāng)脈沖CP由CL端輸入，只有EN端為高電平時，時鐘脈沖的上升沿才起作用。CH250也允許以EN端作脈沖CP的輸入端，此時，只有CL為低電平時，時鐘脈沖的下降沿才起作用。A0、B0、C0為環(huán)形分配器的三個輸出端，經(jīng)過脈沖放大器（功率放大器）后分別接到步進(jìn)電動機(jī)的三相線上。CH250環(huán)形脈沖分配器的功能關(guān)系如表1所列。工作方式CLENJ3rJ3LJ3rJ3L六拍正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)0000001001雙三拍正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)0010010000六拍正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)1100001001雙三拍正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)1110010000（3）脈沖放大器（功率放大器）由于脈沖分配器輸出端A0、B0、C0的輸出電流很小，如CH250脈沖分配器的輸出電流大約為200-400A，而步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電流較大，如75BF001型步進(jìn)電動機(jī)每相靜態(tài)電流為3A，為了滿足驅(qū)動要求，脈沖分配器輸出的脈沖需經(jīng)脈沖放大器（即功率放大器）后才能驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。圖9是一個實用的脈沖放大電路，圖中使用三級晶體管放大，第一級用3DG6小功率管，第二級用3DK4中功率管，第三級用3DD15大功率管，R6為步進(jìn)電動機(jī)限流電阻，隨所配電機(jī)不同而異。圖9 脈沖放大器實用電路圖10 高低壓切換驅(qū)動電源的原理圖圖9所示電路是單電壓型驅(qū)動電源，它的特點是：線路簡單，電阻R6與控制繞組串聯(lián)后，可以減小回路的時間常數(shù)；但是