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混合式步進(jìn)電機(jī) 我有新說法
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混合式步進(jìn)電機(jī)是綜合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計的步進(jìn)電機(jī)。它又分為兩相、三相和五相,兩相步進(jìn)角一般為1.8度 ,三相步進(jìn)角 一 般為 1.2度 ,而五相步進(jìn)角 一 般為0.72度。
混合式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子本身具有磁性,因此在同樣的定子電流下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要大于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī),且其步距角通常也較小,因此,經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般需用混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。但混合轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、轉(zhuǎn)子慣量大,其快速性要低于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。

1產(chǎn)品介紹

步進(jìn)電機(jī)的原始模型起源于1830年至1860年間世紀(jì)年代后期,隨著永磁材料和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,步進(jìn)電機(jī)很快的發(fā)展并成熟起來。20世紀(jì)60年代后期我國開始研究和制造步進(jìn)電機(jī)。從那時到60年代末,主要是高校和科研院所為研究一些裝置而開發(fā)的少量產(chǎn)品。70年代初開始,生產(chǎn)和研究才有所突破。70年代中期至80年代中期進(jìn)入發(fā)展階段,各種高性能產(chǎn)品不斷被開發(fā)出來。80年代中期以后,由于對混合式步進(jìn)電機(jī)的開發(fā)和研制,我國混合式步進(jìn)電機(jī)的技術(shù),包括本體技術(shù)和驅(qū)動技術(shù)在內(nèi),都逐漸接近國外產(chǎn)業(yè)的水平,各種混合式步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器的產(chǎn)品應(yīng)用逐漸多起來。
步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件,是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,廣泛應(yīng)用在各種自動化設(shè)備中。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(即步進(jìn)角)??梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的?;旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)是綜合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計的步進(jìn)電機(jī)。它又分為兩相、三相和五相,兩相步進(jìn)角一般為1.8度,三相步進(jìn)角 一 般為 1.2度 ,而五相步進(jìn)角 一 般為0.72度。

2工作原理

混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)不同,反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子均為一體結(jié)構(gòu),而混合式電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子都被分為下圖所示的兩段,極面上同樣都分布有小齒。
定子的兩段齒槽不錯位,上面布置有繞組。上所示為兩相4對極電機(jī),其中的l、3、5、7為A相繞組磁極,2、4、6、8為B相繞組磁極。每相的相鄰磁極繞組繞向相反,以產(chǎn)生上圖中x、y向視圖中所示的閉合磁路。
B相與A相的情況類似。轉(zhuǎn)子的兩段齒槽相互錯開半個齒距(見圖5.1.5),中間用環(huán)形磁鋼連接,兩段轉(zhuǎn)子的齒的磁極相反。根據(jù)反應(yīng)式電機(jī)同樣的原理,電機(jī)只要按照A—B—A—B—A或A—B—A—B—A的順序通電,步進(jìn)電機(jī)就能逆時針或順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
顯然,同一段轉(zhuǎn)子片上的所有齒都具有相同極性,而兩塊不同段的轉(zhuǎn)子片的極性相反?;旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的大區(qū)別在于當(dāng)磁化的磁性材料退磁后,則會有振蕩點(diǎn)和失步區(qū)。
混合式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子本身具有磁性,因此在同樣的定子電流下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要大于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī),且其步距角通常也較小,因此,經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般需要用混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。但混合轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、轉(zhuǎn)子慣量大,其快速性要低于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。

3結(jié)構(gòu)和驅(qū)動

國內(nèi)生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠 家很多,其工作原理是是一樣的,下面以國產(chǎn)某兩相混合式步進(jìn)電機(jī)42B Y G2 50C 及其驅(qū)動器SH20403為例介紹混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方法。 [2] 
兩相混合步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)
工業(yè)控制中采用如圖1所示的定子磁極上帶有小齒,轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多的結(jié)構(gòu),其步距角可以做得很小。如圖1兩
相混合式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)圖,和圖2步進(jìn)電機(jī)繞組接線圖,A、B兩相繞組沿徑向分相,沿著定子圓周有8個凸出的磁極,1、3、5、7磁極屬于A相繞組,2、4、6、8磁極屬于B相繞組,定子每個極面上有5個齒,極身上有控制繞組。轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鋼和兩段鐵芯組成,環(huán)形磁鋼在轉(zhuǎn)子中部,軸向充磁,兩段鐵芯分別裝在磁鋼的兩端,使得轉(zhuǎn)子軸向分為兩個磁極。轉(zhuǎn)子鐵芯上均勻分布50個齒,兩段鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距,定轉(zhuǎn)子的齒距和齒寬相同。
兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的工作過程
當(dāng)兩相控制繞組按的次序 輪流通電,每拍只有一相繞組通電,四拍構(gòu)成一個循環(huán)。當(dāng)控制繞組有電流通過時便產(chǎn)生磁動勢,它與磁鋼產(chǎn)生的磁動勢相互作用,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動。當(dāng)A相繞組通電時,在轉(zhuǎn)子N*磁極1上的繞組產(chǎn)生的S磁極吸引轉(zhuǎn)子N極,使得磁極1下是齒對齒,磁力線由轉(zhuǎn)子N極指向磁極1的齒面,磁極5下也是齒對齒,磁極3和7是齒對槽,如圖 4所示 
A相通電轉(zhuǎn)子 N*定轉(zhuǎn)子平衡圖。由于兩段轉(zhuǎn)子鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距,在轉(zhuǎn)子S*, 磁極1’和5’產(chǎn)生的S極磁場,排斥轉(zhuǎn)子S極,與轉(zhuǎn)子正好是齒對槽,磁極3’和7’齒面產(chǎn)生N極磁場,吸引轉(zhuǎn)子 S極,使得齒對齒。A相繞組通電時轉(zhuǎn)子N*、S*轉(zhuǎn)子平衡圖。
因轉(zhuǎn)子上共有50個齒,其齒距角為360° /50=7.2°,定子每個極距所占的齒數(shù)為不是整數(shù),因此當(dāng)定子的A相通電,在轉(zhuǎn)子N極,磁極1的5個齒與轉(zhuǎn)子齒對齒,旁邊的B相繞組的磁極2的5個齒和轉(zhuǎn)子齒有1/4齒距的錯位,即 1.8°,如圖4所示 A相通電時定轉(zhuǎn)子齒展開圖畫圓圈的地方,A相磁極3的齒和轉(zhuǎn)子就會錯位 3.6°,實現(xiàn)齒對槽了。
磁力線是沿轉(zhuǎn)子N端→A(1)S磁極→導(dǎo)磁環(huán)→A(3’)N磁極→轉(zhuǎn)子S端→轉(zhuǎn)子N端,成一閉合曲線 。當(dāng)A相斷電B相通電時,磁極2產(chǎn)生N極性,吸合離它近的S極轉(zhuǎn)子7齒,使得轉(zhuǎn)子沿順時針方向轉(zhuǎn)過1.8°,實現(xiàn)磁極2和轉(zhuǎn)子齒對齒,B相繞組通電定轉(zhuǎn)子齒展開圖如圖5所示,此時磁極3和轉(zhuǎn)子齒有1/4齒距的錯位。
依次類推若繼續(xù)按四拍的順序通電,轉(zhuǎn)子就按順時針方向一步一步地轉(zhuǎn)動,每通電一次即每來一個脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1.8°,即稱步距角為1.8°,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一圈需要360°/1.8°=200個脈沖(見圖4、5)。
在轉(zhuǎn)子S*也是同樣道理,當(dāng)繞組齒對齒時,其旁邊一相磁極錯位1.8°。3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器步進(jìn)電機(jī)必須有驅(qū)動器和控制器才能正常工作。驅(qū)動器的作用是對控制脈沖進(jìn)行環(huán)形分配、功率放大,使步進(jìn)電機(jī)繞組按一定順序通電,控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機(jī) 42BYG250C的驅(qū)動器為SH20403。為10V~40V直流供電, A+、A-、B+、B-端 子要連接步進(jìn)電機(jī)的四條引線,DC+、DC-端子接驅(qū)動器工作直流電源,輸入接口電路包括公共端(接輸入端子電源正極)、脈沖信號輸入端(輸入一系列脈沖,內(nèi)部分配以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)A、B相)、方向信號輸入端(可實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn))、脫機(jī)信號輸入端。

4優(yōu)點(diǎn)

混合式步進(jìn)電機(jī)分為兩相、三相和五相:兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度,混合式步進(jìn)電機(jī)隨著相數(shù)(通電繞組數(shù))的增加,步進(jìn)角減小,精度提高,這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用為廣泛?;旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn):極對數(shù)等于轉(zhuǎn)子齒數(shù),可以根據(jù)需要在很大范圍內(nèi)變化;繞組電感隨
轉(zhuǎn)子位置變化較小,易于實現(xiàn)佳運(yùn)行控制;軸向充磁磁路,使用高磁能積的新型永磁材料,有利于電機(jī)性能的提高;轉(zhuǎn)子磁鋼提供勵磁;在整個運(yùn)行區(qū)域沒有明顯的振蕩。

參考資料

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