直线步进电机_一_夏云.pdf

直线步进电机(一)九O七厂夏云编者 按:此文共分两大部 分,前一部分介 绍直 线步进 电机作用原理、结构 及设计步骤等,后一部分 则介绍 它 的驱动线路及 步进动态性能分析我们分两次刊载一、概述直线步进电机是一种将输入电脉冲信号变换为直线位移的机电元件换句话说,外加一个电脉冲信号于这种电机时,它就沿一定方向向前走一步即一个电脉冲,向前走一步,因此称作直线步进电机在开环系统中,采用反应式步进 电机通过齿轮减速装置,能够将旋转运动变为直线运动,并实现物体的直线定位但是,这种直线运动结构,存在不 少缺点:( 1 )定位精度主要决定于齿轮传动装置,而精度十分高的传动装置加工极为困难;(2 )齿轮传动装置制造精度无论怎样高,但仍有间隙,存在回差,对提高定位精度始终受到限制;(3 )齿轮传动 装置 因 长期不规则运动而逐渐磨损,定位精度也随长期运动而下降;( 匀齿轮传动装置运行速度 不宜 过高,否则会产生机械振动而发出机械噪音,使定位速度受到限制;(5 )由于传动装置带来 的惯量,使定位速度和定位精度不能得到最佳的匹配因此,直线步进 电机的直接应用,省掉了笨重的齿轮传动装置,不仅简化了系统结构,提高了系统直线定位精度,而且获得了直线定位高速度,开辟了它的广泛应用的途径。

如纵横梁式 自动绘图机用单轴直线步进电机、高速自动绘图机甩双轴直线步进 电机组合的平面电机以及作螺旋式曲面运动的立体步进 电机等二、直线步进电机的结构直线步进 电机不过是一种普通反应式步进电机的扩展它的转子和定子有一 个无 限大的曲率半径这样,无 限大曲率半径的定子成了一块“板条,,,称作直线步进 电机的反应 板;无限大曲率半径的转子成了移动部分,称作直线步进电机的动子与一般电机一样,直线步进电机的反应板与动子都用铁磁材料制成整个反应板上 开着齿距等于1毫米(或其他数值)的有规则齿槽(图1)动子上有两块永久磁钢作成的磁极每个磁极上各有一个门 形 极靴,极靴 的 两个 极 掌上 开有与反应板 齿 距相同的 齿槽(图1( a))反应板或动 子极掌上相邻两齿之间的距离称作齿距(dT ),实际上等于1毫米或其他数值,即d二~1等于0.4~0.6毫米,即b,~(0.4~0.6)d下齿 高h等于0.2~0.5(Q,} } } } } } }l l ll l l{ { { { {(} } }·,瓜聋募纂城吸覃基聋神__图1动子运行示意图毫米,即h:~( 0.2~0.匆d二槽内填满非 导磁材料,使反应板与动 子极掌表面平整光滑。

这是保证气垫稳定性的必要条件反应板与动子 之间的气隙为0.0 1~0.0 2毫米,由气垫来保证为使直线步进电机正常稳定运行,直线步进电机动子的两个门形极靴,沿一定方向并保证一定间距安装在一个非导磁体框架结构内(图1( a ) )门形极靴极掌上的齿数可根据设、·一一一、·,,一、 一,,一,·~一一八一一/一.1、,,二二二***,‘,_ 计需要来选择门形极靴的槽口宽S二等于(K+奋)介一b,其中了表任意整数1;2、‘’‘.“一/卜~汀‘ J /厂协们“曰矽,只~~一二弓刁\一‘2/---一“一‘、’一’一’一-一一3、4、⋯⋯这样,当极掌1上 的齿中心与反应板上 的齿中心相对应时,则极掌2上 的齿中心应与反应板上的槽中心相对应(图1(乙))两磁极上门形极靴之间的距离氏亦等于(K+韵d T一瓦这样,便使极掌1和r上的齿中心能同时与反应板上 的齿中心相对应;极掌2和2,上 的齿中心能同时与反应板上的槽中 心相对应两 门形极靴 的开口槽内嵌有同 心绕组称作控制绕组(图力然而在更多的场合下,直线步进电机的动子由上述结构相同的两个动子 同轴组装在一个非导磁体框架内(图1( a ) )动子A和动子B同轴组装时应使其相邻磁 钢具有同一极,二,_“,、、_._J___,_。

~二一一 /一,3 、,二,/1、二__;似;汇 件(图1( a )) o动子A和动子B间的距离几等于怀+会)“一”·或挤十音少“一“ 一保证动子B极掌2和2‘上的齿中心与反应板上的齿中心相对应,极掌1和r上的齿中心与反应板上的槽中心相对应;动子注极掌2和Zr上的齿中心或极掌1和r上的齿中心则应与反应板_L的齿或槽的中心位置相对应(图1( a ))三、直线步进电机的工作原理由于反应板与动子间气隙磁导的变化,可使动子与反应板的一些齿之间相互 吸引而产生 位移设若给控制绕组施加电流,使门形极靴的一侧极掌磁化,另 一侧极掌 去磁由于极掌磁化或 去磁,使一侧极掌上的齿磁拉力增加,而另一侧极掌上的齿磁拉力减小,从而 迫使动子沿着一定方向移动在图1( a )中,若动子A和B的控制绕组均未施加电信号这时,永久磁钢产生的磁 通平分分二路经门形极靴两侧极掌、齿、气隙、反应板齿、板、反应板齿、气隙、齿、极掌、永 久磁钢而形成闭合磁路图1(a )中各极掌上的齿与反应板上相应齿的磁拉力相等,互相平衡,是动子的平衡位置,也是磁路磁导最大位置现在我们给动子A的控制绕组施加直流电I支,其时动子B的控制绕组中电流I~0 o绕组通通电产生磁 通,使极掌1和1 ’上齿的磁通相迭加,而使极掌2和2 ’上齿的磁通相抵消(从设计上保证制控绕组电流在极掌上产生的磁通和永久磁钢在极掌上产生的磁通价/ 2近似相等),这时极掌2和2,上的齿全部去磁,极掌1和r上的齿全部增磁,所以极掌1和1 ’上的齿有最大磁拉力,迫使动子向右位移d二邝 (图1(b))。

若切断绕组A中电流,使I丈~0,给动子B的控制绕组施加直流电I鑫绕组B通 电产一生 的磁通,使极掌1和r上齿的磁通相迭加,而使极掌2和2’上齿的磁通相抵消,由于极掌1和r上齿的磁拉力,迫使动子继续向右移动d刀4(图1(c))如果再切断绕组B中电流,使I鑫~0,给绕组A通以反 向直流电I二这时绕组A通电产生的磁通,使极掌2和2,上的齿的磁通相迭加,而使极掌1和1,上齿的磁通相抵消由于极掌2和2‘上齿的磁拉力,迫使动子继续向右移动d可4(图1( 必)如果又继续切断绕组A中电流,使I二一o,给绕组B通以反向直流电I丢绕组B通电产生的磁通,使极掌2和2,上齿的磁通相迭加,而使极掌1和r上齿的磁通相抵消由于极掌2和2‘上齿的磁拉力,迫使动子又继续向右移动d叮4(图1(经过图加、b、c、d、一 所示 四阶段后,_动子便向右移动了一个齿距,即d二如果续继向右移动,只是重复前面的过程当给绕组A通电,使过程由图1恤)移动到图1(b )时,从图1(司中可 以看到,动子B极掌2和2,上的齿与反应板上的齿相对应,由永久磁钢磁 通产生的 磁吸力最 大,给动子从图1间向右运动到图1( 句造成了制动作用,使动子不能快速起动。

为克服这一现象,在给绕组泣通以正向直流电几时,应给绕组B通以反向直 流 电几,从而减小极掌2和2 ’上齿的磁吸力,以加逸动子由图1( a )移动到图1(b )同理,图1(b )移动到图1(c ),则应在给B通以正向直流电J鑫时,给绕组A通以反向直流电几,以加速动子的运动图1( c )移动到图1(司,则应在给绕组A通以反向直流 电几时,给绕组B通以正向直流电几,以加速动子的运动图1( 司移动到 图1(),则应在绕组B通以反向直流电几时,给绕组A通以正向直流电几,以加速动子的运动由此可见,实现两绕组同时通以不同方向的直流电以达到动子快速运动,这是双绕组直线步进电机的最大优点从上讨论 可知,动子每移动一次便步进四分之 一齿距(d可4 )这个数值便是直线步进2 8,电机的步距,俗称步距分辨力步距越小,分辨力越高为了提高步距分辨力,‘必需将反应板和动子极掌齿距做得更小,但小齿距的反应板和 动子给制造带来极大困难随着数字技术的发展和步进 电机驱动线路的 不断革新与完善,给提高直线步进 电机的步距分辨力带来了新方向近年来,细分电路在驱动线路中的应用,使直线步进电机能够实现微小步距(1 0微 米以下)的移动。

如果绕组的控制信号不是直流 电,而是正、余弦 电,即在绕组A中通以正弦电,绕组B中通以余弦 电(图2)从图1、图“中可以看到,在0一晋范 围内,绕组A电流吸由零增至最大,极掌1和r齿部磁通 由价/ 2渐 增至劝,而极 掌2和2 1齿部磁通由价/ 2渐减至零与此同时,绕组B电流 坛 由负的最大 增至零,极 掌2和2‘齿部磁通由功减至争/ 2 ,配合动子A加速动子向右平滑动d二/4在大,极掌1和r齿部磁通由价/2渐增至成图2正、余弦波形二/2~二范围内,绕组B中电流‘由零增至最而极掌2和2,齿部磁通由劝/2渐减至零,与此同时,绕组A电流吸由正的最大减至零,极掌1和1‘齿部磁通即由价减至有2,配合动子B加速动子继续向右平滑移动击/4同理 不难阐明在二一粤二和菩二一2二范 围内,各极掌‘ 一”一~’一~~’,曰’“J份~一‘一 “~”‘,卜田7J一”2一””2-.一’以~‘J’同一一齿部磁通 随绕组 电流的变化而变化的规律,并继续迫使动子向右平 滑移动由此可知:不管电流的方向随时 间如何变化,磁拉力的方向总是取位移增大的方向;同时,电流变化一周期,相当于动子向右平滑移动一齿距dT四、直线步进电机的运行特性(一)力移特 性直线步进电机的力移特性指 的是在不改变通 电状态时,磁拉力与动子位置的关系。

动子位置用通电控制绕组首端动子极掌上齿与反应板齿中心线间的位移二(空间 位移)或电位移甸表示它们之间的关系 是肠~几二(1 )其中Z表 示动子 一个极掌上 的齿数根据前面所述,在控制绕组通 电时,反应板与动子极掌上齿对齿或齿对槽的情况 下,磁拉力为零直线步进 电机 磁拉力的产生,是基于气隙磁导的变化设动子任一极掌下气隙总磁导为入,一个齿距范围内单位铁芯长度的气隙磁导称为比磁导,用G表示,则入~乙 ZaG(亨)(2)其中乙—铁芯计算长度(厘米);G—比磁导(亨/厘米)29.气隙比磁导e的值与反应板和 动子极掌上齿中心线间的距离二有关齿对齿时比磁导最大,齿对槽时比磁导最小,其余位置为中间值很明显,比磁导仔是位移二的周期性函数(图a )时,‘( 0)一G二一粤时,-· 一-,·--,一‘-一一’---、一‘一’‘’、一了一一,一2 }q萨公J了/2)~G用式子表示时为八2兀劣.04兀劣.,廿~ 廿一廿1COS一+廿,COS.二=二+⋯(谷) 肠 Ta了对于工程计算来说,可以近似地 认为02兀劣G=Ge:eo s竺二竺(4) 一’ 一‘-一d下从而沐l阮止、J少、,/a,b尸O衬0矛‘‘、廿了.、~飞~厂飞上厂一」一LJw eL筑图3气隙比磁导G与位移劣之间的关系G。

一合(Gl n 二+G二In)Gl一合(G二a二一、、)气隙比磁导的恒定分量氏和基波幅值a l可参看“微特电机197 6年增刊’、如是*一‘ ‘(a o+认o s里弊、、Q 丫,(6)根据磁场储能或者磁共能对于位移的变化率等于磁拉力的值,即可求得aw 刀.二二—一刁劣(7)若不计电机磁路铁芯部分磁场能量或磁共能变化的影响,则仅考虑气隙磁共能的变化于是动子任一极掌下气隙部分的磁场储能与磁共能相等,即拌~,二,刀盖0几 艺1~、~- 二二刀 三八 Z(8)其 中尸‘—一极掌下气隙磁势(安);咖—一极掌下磁通(韦)一极掌下气隙磁势(参看王宗培著:步进电机)F a一瓷曾争(9)其中刀.—齿部磁密(韦/米勺;脚.—动子铁芯迭压系数将式( 8)代入式(7 ),则一个极掌下产生的磁拉力是尸一臀一”· 喻洲a ls i n鲁公斤 (10)控制绕组A通电时,共有一对极掌同时作用,其总磁拉力是凡一”一10.2干低鳄‘、:i n擎公斤幼‘Q T(11)这就是在控制绕组A通电的情况下,不计比磁导G中二次以上谐波分量时,求出的力移特性公式其时,力移特性的式子可以简化为幻3 ),上,上了‘、了.、其中一F x咖架公斤F二。