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第五章数控机床的驱动系统与检测技术5.1开环步进驱动系统

本节目录步进电机的分类步进电机工作原理步进电机静、动态特性步进电机驱动器1234

电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大开环数控系统

步进电动机按照结构可分为反应式步进电动机、混合式步进电动机和永磁式步进电动机。反应式步进电机的定子和转子由硅钢片或其他软磁材料制成，定子上有励磁绕组，绕组相数一般为二、三、四、五、六相，步距角一般为0.36°～3°。永磁式步进电机的定子由软磁材料制成，定子上有励磁绕组；转子由永久磁铁制成，步距角一般为15°、22．5°、30°、45°等。混合式步进电机又叫永磁反应式步进电机，它在结构和性能上，兼有反应式步进电机和永磁式步进电机两者的特点。步进电动机的分类

反应式步进电机结构简单，价格便宜，步距角小，其缺点是励磁电流大，带惯性负载能力差，容易“失步”和“振荡”，断电后无保持转矩。其产品系列代号为BF，如：110BF02。永磁式步进电机控制功率小，省电，运行稳定，断电后有保持转矩；但是其步距角太大。其产品系列代号为BY。混合式步进电机即具有反应式步进电机步距角小、工作频率高的特点；又具有永磁式步进电机控制功率小、运行稳定、断电后有保持转矩的特点；更适合应用于数控系统中。但是其制造工艺复杂，成本较高。其产品系列代号为BH。三种步进电机性能比较

反应式步进电动机工作原理定子上绕有A、B、C三相绕组，三对绕组在空间上相互错开120°；转子是四个分布均匀的齿，没有绕组，在定子磁场中被磁化而呈现极性。三相绕组按A-B-C或者A-C-B顺序通电时，步进电机转子则会以30度的步距角逆时针或顺时针转动起来。图5-1三相单三拍运行原理图

a)A相通电b)B相通电c)C相通电

反应式步进电动机工作原理定子绕组改变一次通电方式称为“一拍”，每拍转子所转过角度称为“步距角”。三相绕组按A-B-C或者A-C-B顺序通电时，称为“三相单三拍”工作方式，步距角为30度。步距角和转子齿数和定子绕组相数有关，和两者的乘积成反比。图5-1三相单三拍运行原理图

a)A相通电b)B相通电c)C相通电

反应式步进电动机工作原理三相绕组按A-AB-B-BC-C-CA-A或者A-AC-C-CB-B-BA-A的通电顺序工作时，称为“三相六拍”工作方式，步距角为15度。步距角计算公式为，m—定子相数；z—转子齿数；k—拍数与相数的比例系数,m相m拍，k=1,m相2m拍，k=2.0360mzka=图三相六拍原理图a)A相通电b)AB相通电c)B相通电

图步进电动机的矩角特性当保持定子某一相绕组通电，并且转子不带负载，这时转子的齿与定子通电相的齿对齐，这个位置叫步进电机的初始平衡位置。如果在电动机轴上外加一个负载转矩ML，则转子会向ML方向转过一个角度θ，这时转子将受到电磁转矩（静态转矩）M=ML的作用而达到新的平衡，角度θ称为失调角。设每两个齿之间的齿距角为，则静态转矩M与失调角θ之间的关系为步进电机静态矩角特性

图步进电动机的静转矩特性静态转矩与绕组电流的关系称为静转矩特性。当电流较小时，转矩与电流的平方成正比；随着电流增加，磁路渐趋饱和，转矩上升变缓；当电流较大时，曲线趋于水平。步进电机静转矩特性

步进电机动态矩频特性步进电动机的最大动态转矩和脉冲频率的关系称为矩频特性。步进电机的最大动态转矩转矩随运行频率的上升而下降。图5-8步进电动机的矩-频特性

步进电机动态特性工作频率步进电动机的工作频率是指电动机按指令的要求进行正常工作的最大脉冲频率。步进电动机的工作频率通常分为启动频率和连续工作频率。步进电动机的启动频率是指它在一定的负载转矩下能够不失步启动的最高频率。步进电动机的连续工作频率是指步进电动机启动后当控制脉冲连续发出时，能不失步运行的最高频率。

CNC步进电动机驱动器脉冲分配器将来自CNC的单相连续位置指令脉冲转换为控制不同绕组的循环脉冲信号，又称环形分配器。功率放大电路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的高压/大电流信号，驱动步进电动机运行。

步进电动机脉冲分配器脉冲分配器的作用是将数控装置送来的一串指令脉冲，按照运行通电方式所要求的顺序和分配规律，分配到各相驱动电路输入端，用以控制各相绕组中电流的开通和关断。图三相三拍环形脉冲分配

单电压驱动电源（驱动放大）脉冲分配器输出脉冲到控制信号端后，通过脉冲放大器放大，加到晶体管VT的基极，使其导通，并利用电容C使电动机绕组中的电流迅