步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)解析

步進電機伺服系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)，指令信號是單向流動的。開環(huán)系統(tǒng)沒有位置和速度反饋回路，省去了檢測裝置，其精度主要由步進電機來決定，速度也受到步進電機性能的限制，系統(tǒng)簡單可靠，不需要像閉環(huán)伺服系統(tǒng)那樣進行復(fù)雜的設(shè)計計算與試驗驗證。

步進電動機開環(huán)伺服系統(tǒng)由于具有結(jié)構(gòu)簡單、使用維護方便、可靠性高、制造成本低等一系列優(yōu)點，在中小型機床和速度、精度要求不十分高的場合，得到了廣泛的應(yīng)用。

1．步進電動機的種類和結(jié)構(gòu)

步進電動機的分類方式很多，根據(jù)不同的分類方式，可將步進電動機分為多種類型，如表1所示。

步進電機在結(jié)構(gòu)上分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分，現(xiàn)以圖2所示的反應(yīng)式三相步進電機為例加以說明。定子上有六個磁極，每個磁極上繞有勵磁繞組，每相對的兩個磁極組成一相，分成A、B、C三相。在定子的每個磁極上開了5個小齒，齒寬相等，齒間夾角是9°。轉(zhuǎn)子無繞組，它是由帶齒的鐵心做成的。有均勻分布的40個小齒，齒間夾角也是9°。此外，定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯開1/3齒距。

2．步進電動機的工作原理

步進電機是按電磁吸引的原理工作，現(xiàn)以反應(yīng)式步進電機為例說明其工作原理。反應(yīng)式步進電機的定子上有磁極，每個磁極上有激磁繞組，轉(zhuǎn)子無繞組，有周向均布的齒，依靠磁極對齒的吸合工作。如圖3所示為三相步進電機，定子上有三對磁極，分成A、B、C三相。

步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)控制數(shù)控機床 見圖1所示

特點：結(jié)構(gòu)簡單，步進驅(qū)動、步進電機，無位置速度反饋。

結(jié)構(gòu)

電機的定子和轉(zhuǎn)子鐵心通常由硅鋼片疊成。定子和轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒。定子上有A、B、C三對磁極，在相對應(yīng)的磁極上繞有A、B、C三向控制繞組。其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。見圖2-5-6所示。

工作原理

步進電動機是一種把電脈沖轉(zhuǎn)換成角位移的電動機。用專用的驅(qū)動電源向步進電動機供給一系列的且有一定規(guī)律的電脈沖信號，每輸入一個電脈沖，步進電機就前進一步，其角位移與脈沖數(shù)成正比，電機轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，而且轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向與各相繞組的通電方式有關(guān)。

步進電機的通電方式

其運行方式有：三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍。

每輸入一個脈沖信號步進電動機所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，以θs表示。

步距誤差是指步進電機運行時，轉(zhuǎn)子每一步實際轉(zhuǎn)過的角度與理論步距角之差值。

步進電機功率驅(qū)動

驅(qū)動控制電路由環(huán)形分配器和功率放大器組成。

（1）環(huán)形分配器

環(huán)形分配器是用于控制步進電機的通電方式的，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按照一定的順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相繞組的通電、斷電。環(huán)形分配器功能可由硬件或軟件產(chǎn)生。見圖2、3所示。

（2）驅(qū)動放大電路

圖4是一種高低壓驅(qū)動線路。

特點：高壓充電，低壓維持。

圖4 高低壓驅(qū)動原理

主要特征

（1）最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax

（2）啟動頻率

（3）連續(xù)運行頻率

（4）矩頻特性

（5）靜態(tài)步矩誤差

步進電機的選擇

步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。

　　審核編輯：湯梓紅