数控技术及应用 数控机床的电气驱动步进电动机.pptx

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1、1、概述机床动力源：气动、液压、电动。数控机床动力源：主要是电动机。机床动力源根据用途分为:主轴驱动动力源：为主轴提供能量和较高的速度，由电动机驱动，不用液压马达。进给驱动动力源：与主轴驱动动力源相比，进给驱动动力源的功率小得多，一般1KW就足够。此外进给速度比切削速度慢很多。辅助运动驱动动力源：通常使用交流感应电动机作为动力源，这些辅助运动包括冷却泵、除屑、驱动液压马达等，只需要进行开/关控制。第1页/共32页工作原理：步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲信号转换成线位移或角位移的电动机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉

2、冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，改变转动方向。(4)角位移量或线位移量与电脉冲数成正比。2、步进电动机第2页/共32页2、步进电动机缺点：最大缺点是失步。失步包括丢步和越步。丢步：指转子前进的步数小于电脉冲数；越步：指转子前进的步数多于电脉冲数；在大负载和转速较高时，更容易发生失步。步进电机主要用于经济型数控机床的进给驱动。第3页/共32页以反应式三相步进电机为例说明步进电机的结构和原理。通常按励磁方式分为三大类：1 1）反应式反应式：转子无绕组，定转子开小齿、步距小。应用最广。：转子无绕组，定转子开小齿、步距小。应用最广。2 2）永磁式永磁式：转子的极数：转子的极数=每相定子极数

3、，不开小齿，步距角较大，力矩较大。每相定子极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大。3 3）感应子式感应子式(混合式混合式)：开小齿，混合式步进电机优点：转矩大、动态性能好、步距开小齿，混合式步进电机优点：转矩大、动态性能好、步距角小。角小。步进电机的种类第4页/共32页三相反应式步进电动机结构反应式步进电动机结构注意：注意：步进电机通的是直流电脉冲 步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成。定、转子铁心由软磁材料或硅钢片叠成凸极结构，定、转子磁极上均有小齿，定、转子的齿数相等。其中定子有六个磁极,定子磁极上套有星形连接的三相控制绕组，每两个相对的磁极为一相，组成一相控制绕组,转

4、子上没有绕组。转子上相邻两齿间的夹角称为齿距角。假设转子上有四个齿，则相邻两齿间夹角（齿距角）为900.第5页/共32页图6-1 三相反应式步进电机结构 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，每次仅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。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。步进电机每输入一个脉冲电信号，转子转过的角度称为步距角。第6页/共32页工作方式步进电机的工作方式可分为：三相单三拍；三相单、双六拍

5、；三相双三拍等。“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。一、三相单三拍（1）三相绕组联接方式：Y型（2）三相绕组中的通电顺序为：A 相B 相C 相通电顺序也可以为：A 相 C 相 B 相 第7页/共32页（3）工作过程被磁化，吸引转子，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。CABBCA3412第8页/共32页CABBCA3412B相通电，转子

6、2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；1C342CABBAC相通电再转30第9页/共32页 图6-5 步进电机工作原理第10页/共32页这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过30。此角称为步距角，用S表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。三相单三拍的缺点：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。第11页/共32页二、三相单、

7、双六拍三相绕组的通电顺序为：AABBBCCCAA 共六拍。工作过程：A相通电，转子1、3齿和A相对齐。CABBCA3412第12页/共32页所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了15。（1）BB 磁场对2、4齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。A、B相同时通电（2）AA 磁场继续对1、3齿有拉力。CABBCA3412第13页/共32页总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15。CABBCA3412B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。第14页/共32页三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：AB BC CA AB 共三拍。AB通电CABBCA

8、3412CABBCA3412BC通电第15页/共32页以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即S=30。CA通电CABBCA3412第16页/共32页步进电机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角步距角。N:一个周期的运行拍数,即通电状态循环一周需要改变的次数Zr：转子齿数如：Zr=40,N=3时步距角拍数：N=kmk=1 单拍制2 双拍制m:相数单拍制：相邻两次通电相数相同双拍制：相邻两次通电相数不同第17页/共32页转速每输入一个脉冲，电机转过即转过整个圆周的1/(ZrN）,也就是1/(ZrN）

9、转因此每分钟转过的圆周数，即转速为步距角一定时，通电状态的切换频率越高，即脉冲频率越高时，步进电动机的转速越高。脉冲频率一定时，步距角越大、即转子旋转一周所需的脉冲数越少时，步进电动机的转速越高。第18页/共32页1.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（0）。如果在电机轴上外外加加一一个个负负载载转转矩矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度，角度称为失失调调角角。有失调角之后，步进电机就产生一个静静态态转转矩矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角的关系叫矩矩角角特特性性

10、，如图6-6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态转矩。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（0）。步进电动机的运行性能第19页/共32页 图6-6 静态矩角特性第20页/共32页2.动特性（1）最大启动转矩 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最大启动转矩，电机就不能启动。步进电动机的运行性能第21页/共32页abABC第22页/共32页（2）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

11、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。（3）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。第23页/共32页（4）矩频特性与动态转矩 矩矩频频特特性性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系（见图6-8），该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。当步进电机正常运

12、行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。图6-8 矩频特性Mf第24页/共32页步进电动机的驱动步进电动机的驱动步进电动机的驱动电源主要由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器（也称功率放大器）三部分组成。第25页/共32页步进电动机的驱动步进电动机的驱动步进电动机的驱动电源主要有三种类型：1、高低压双电源型 高低压双电源型脉冲功率放大器特点：开始时先接通高压，保证电动机绕组中有较大的冲击电流；然后再截断高压，由低压供电，保证电机绕组中稳态电流等于额定值，即“高压建流，低压定流”。2、恒流斩波 步进电机运行过程

13、中，定子齿和转子齿相对位置不断发生变化，因而在绕组中产生旋转电动势，导致绕组电流波形的顶部下凹。（P123图6-13），为了解决这个问题，设计了恒流斩波脉冲功率放大器电路。第26页/共32页恒流斩波功率放大器第27页/共32页步进电动机的驱动步进电动机的驱动步进电动机的驱动电源的三种类型：3、调频调压型 如果能设法使绕组的供电电压随着运行频率的升高而一起升高，以维持绕组在不同频率的导电周期内电流平均值基本相同，这样也可以达到高频运行时，动态转矩不明显下降的目的。这种随着运行频率升高，电源电压自动升高的控制方式，称为调频调压方式。第28页/共32页调频调压功率放大器第29页/共32页三种脉冲功率

14、放大器的比较高低压双电源型脉冲功率放大器电路比较简单，成本低，但不能解决绕组电流顶部凹陷问题；恒流斩波型脉冲功率放大器可以解决绕组电流顶部凹陷问题，在电机运行频率较低时，应用效果很好，但当电机运行频率较高时，应用效果将变差；此外，由于引入了斩波频率，有时会导致电机运行时噪声增加；调频调压型脉冲功率放大器通过“低频低压，高频高压”的方法兼顾电机在高、低运行频率时对电机绕组电压的要求，有效提高了电机在以较高频率运行的转矩。但是，该法要求给绕组供电的电源有较高电压，否则会发生高频时电压调不上去的现象。第30页/共32页步进电动机的选用1、从系统精度和速度的要求考虑；2、根据步进电动机的两条特性曲线考虑；（1）启动矩频特性曲线；（2）工作矩频特性曲线。3、对转矩和进给速度不同要求方面考虑。第31页/共32页谢谢您的观看！第32页/共32页