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进电机
混合式步进电机(又称感应子式步进电机)既有反应式步进电机小步距角的特点,又有永磁式步进电机效率高、绕组电感比较小的特点。
(1)两相混合式步进电机的结构
图1-11为混合式步进电机的轴向剖视图。它的定子铁芯与单段反应式步进电机基本相同,即沿着圆周有若干凸出的磁极,每个磁极的极面上有小齿,机身上有控制绕组;定子控制绕组与永磁式步进电机基本相同,也是两相集中绕组,每相为两对极,控制绕组的接线。
中可以看出,当定子绕组按A西门子B西门子(-A)西门子(-B)西门子A…的次序轮流通以直流脉冲时(如A相通入正脉冲,则定子上形成上下S、左右N四个磁极),按N、S相吸原理,转子必为上下N、左右S,若将A相断开、B相接通,则定子极性将顺时针转过45°,转子也将按顺时针方向转动,每次转过45°空间角度,也就是步距角θs为45°。一般来说,步距角θs的值为
式中,m为相数;p为转子极对数。
上述这种通电方式为两相单四拍。由以上分析可知,永磁式步进电机需要电源供给正、负脉冲,否则不能连续运转。一般永磁式步进电机的驱动电路要做成双极性驱动,这会使电源的线路复杂化。这个问题也可以这样来解决,就是在同一个极上绕两套绕向相反的绕组,这样虽增加了用铜量和电机的尺寸,但简化了对电源的要求,即电源只要供给正脉冲就可以了。
此外,还有两相双四拍通电方式[即AB西门子B(-A)西门子(-A)(-B)西门子(-B)A西门子AB]和八拍通电方式。
永磁式步进电机的步距角大,启动和运行频率低。但是它消耗的功率比反应式步进电机小,在断电情况下有定位转矩,有较强的内阻尼力矩。
星形磁极的加工工艺比较复杂,如采用的爪形磁极结构,
性交错分布的,极爪的极对数与定子每相绕组的极对数相等。爪极式永磁步进电机的运行原理与星形磁钢结构的相同。
(1)永磁式步进电机的基本结构
永磁式步进电机也有多种结构,是一种典型结构。它的定子为凸极式,定子上有两相或多相绕组,转子为一对或几对极的星形磁钢,转子的极数应与定子每相的极数相同。图中定子为两相集中绕组(AO、BO),每相为两对极,因此转子也是两对极的永磁转子。
由以上分析可知,反应式步进电机的步距角θs的大小是由转子的齿数Zr、控制绕组的相数m和通电方式所决定的。它们之间存在以下关系
式中,C为状态系数,当采用单三拍和双三拍通电方式运行时,C=1;而采用单、双六拍通电方式运行时,C=2。
如果以N表示步进电机运行的拍数,则转子经过N步,将经过一个齿距。每转一圈(即360°机械角),需要走NZr步,所以步距角又可以表示为
若步进电机通电的脉冲频率为f(拍/s或脉冲数/s),则步进电机的转速n为
式中,f的单位是s-1;n的单位是r/min。
由此可知,反应式步进电机的转速与拍数N、转子齿数Zr及脉冲的频率f有关。相数和转子齿数越多,步距角越小,转速也越低。在同样脉冲频率下,转速越低,其他性能也有所改善,但相数越多,电源越复杂。目前步进电机一般做到六相,个别的也有做成八相或更多相数。
同理,当转子齿数一定时,步进电机的转速与输
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通电变为B、C两相通电时,B相始终保持持续通电状态,C相磁拉力试图使转子逆时针方向转动,而B相磁拉力却起阻止转子继续向前转动的作用,即起到了一定的电阻尼作用,所以步进电机工作比较平稳。而在三相单三拍运行时,由于没有这种阻尼作用,所以转子达到新的平衡位置容易产生振荡,稳定性不如三相双三拍运行方式。
③三相单、双六拍通电方式。反应式步进电机,采用三相单、双六拍通电方式运行的工作原理其控制绕组按A西门子AB西门子B西门子BC西门子C西门子CA西门子A顺序通电,或按A西门子AC西门子C西门子CB西门子B西门子BA西门子A顺序通电,也就是说,先A相控制绕组通电;以后再A、B相控制绕组同时通电;然后断开A相控制绕组,由B相控制绕组单独接通;再同时使B、C相控制绕组同时通电,依此进行。其特点是三相控制绕组需经6次切换才能完成一个循环,故称为“六拍”,而且通电时,有时是单个绕组接通,有时又为两个绕组同时接通,因此称为“单、双六拍”。
反应式步进电机采用三相单、双六拍通电方式运行时,步距角也有所不同。当A相控制绕组通电时,与三相单三拍运行的情况相同,转子齿1、3和定子极A、A'轴线对齐,当A、B相控制绕组同时通电时,转子齿2、4在定子极B、B'的吸引下是转子沿逆时针方向转动,直至转子齿1、3和定子极A、A'之间的作用力与转子齿2、4和定子极B、B'之间的作用力相平衡为止,当断开A相控制绕组,而由B相控制绕组通电时,转子将继续沿逆时针方向转过一个角度,使转子齿2、4和定子极B、B'对
其控制绕组按AB西门子BC西门子CA西门子AB顺序通电,或按AB西门子CA西门子BC西门子AB顺序通电,即每拍同时有两相绕组同时通电,三拍为一个循环。当A、B两相控制绕组通电时,转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用,只有当A相极和B相极对转子齿所产生的磁拉力相平衡时,才是转子的平衡位置,若下一拍为B、C两相同时通电时,则转子按逆时针方向转过30°。到达新的平衡位置,