任務(wù)一步進(jìn)電機(jī)的認(rèn)識(shí)與拆裝任務(wù)二步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的安裝與調(diào)試項(xiàng)目組成項(xiàng)目十四步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的安裝與維護(hù)

項(xiàng)目描述項(xiàng)目目標(biāo)

任務(wù)一步進(jìn)電機(jī)的認(rèn)識(shí)與拆裝

步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的一種控制電機(jī)。普通電機(jī)是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，步進(jìn)電機(jī)則是一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)的，它由專(zhuān)用電源供給電脈沖，每輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)，電機(jī)就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，因此，步進(jìn)電機(jī)又稱(chēng)為脈沖電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)受脈沖信號(hào)控制，它可以直接將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移，因此，它很適合作為數(shù)字控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，如數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等。1．步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

如圖14-1所示是常用步進(jìn)電機(jī)的外形，和普通電機(jī)一樣，也由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，如圖14-2所示是混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)。

2．步進(jìn)電機(jī)的工作原理

步進(jìn)電機(jī)按運(yùn)行原理和結(jié)構(gòu)形式可分為反應(yīng)式、永磁式和混合式(又稱(chēng)為感應(yīng)子式)三類(lèi)，生產(chǎn)中應(yīng)用最多的是混合式步進(jìn)電機(jī)。（1）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)1）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖14-3所示是三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，定子上均勻分布6個(gè)極，每個(gè)極上都裝有控制繞組，繞組連接成Y形，其中每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的極組成一相，通電時(shí)形成一對(duì)磁極，由脈沖電源（環(huán)形電脈沖分配器）送來(lái)的電脈沖對(duì)每相定子繞組輪流勵(lì)磁。定子極的極弧上開(kāi)有均勻分布的小齒。轉(zhuǎn)子由硅鋼片或軟磁材料制成，轉(zhuǎn)子外圓周上也有均勻分布的小齒，它與定子極弧上齒距相同。定子極的中心線即是齒的中心線或槽的中心線。

每一步轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱(chēng)為步距角θ。從一相通電換接到另一相通電稱(chēng)為一拍；每次只有一個(gè)繞組通電稱(chēng)為“單”。因此，這種通電方式稱(chēng)為“三相單三拍”。注意：步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，或者說(shuō)產(chǎn)生不同N、S磁極對(duì)的勵(lì)磁線圈對(duì)數(shù)。

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，步距角小。由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)不使用永久磁鐵，其定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)弱與勵(lì)磁電流成正比，要想增強(qiáng)磁場(chǎng)，就要增加勵(lì)磁電流，因此，溫升很高，散熱片也很大，動(dòng)態(tài)性能差，效率低，可靠性差。（2）永磁式步進(jìn)電機(jī)1）永磁式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

如圖14-6所示是永磁式步進(jìn)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)，它的定子為裝有兩相或多相繞組的凸極式，轉(zhuǎn)子為一對(duì)極或多對(duì)極的星形磁鋼，轉(zhuǎn)子極數(shù)與定子每相的極數(shù)相同。圖中定子為兩相集中繞組（AO、BO），每相為兩對(duì)極，因此，轉(zhuǎn)子也是兩對(duì)永磁磁極。

通常在永磁式步進(jìn)電機(jī)的同一個(gè)極上繞兩套繞向相向的繞組，這樣電源只需供給正脈沖就可以了。

永磁式步進(jìn)電機(jī)的步距角大，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率低。但是它消耗的功率比反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)小，在斷電情況下有定位轉(zhuǎn)矩，有較強(qiáng)的內(nèi)阻尼力矩。（3）混合式步進(jìn)電機(jī)

混合式步進(jìn)電機(jī)（又稱(chēng)感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)）既有反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)小步距角的特點(diǎn)，又有永磁式步進(jìn)電機(jī)效率高、繞組電感比較小的特點(diǎn)。1）兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

圖14-7為混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖a為軸向剖視圖，圖b為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖，它的定子鐵芯與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相同，沿著圓周有若干凸出的極，每個(gè)極的極面上有小齒，凸出的極上裝有控制繞組，控制繞組與永磁式步進(jìn)電機(jī)類(lèi)似，采用兩相集中繞組，通電時(shí)每相為兩對(duì)磁極，控制繞組的接線如圖14-8所示，極上線圈能以?xún)蓚€(gè)方向通電，形成A相和A—相，B相和B—相。

轉(zhuǎn)子為軸向磁化的圓柱形永久磁鐵，磁鐵兩端各套有一段由整塊鋼加工或用硅鋼片疊成的轉(zhuǎn)子鐵芯，鐵芯上沿外圓周開(kāi)有小齒，其齒距與定子小齒齒距相同，兩段轉(zhuǎn)子鐵芯上的小齒彼此錯(cuò)過(guò)1/2齒距，即凹與凸對(duì)齊?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是反應(yīng)式轉(zhuǎn)子與永磁式轉(zhuǎn)子的復(fù)合體，其名稱(chēng)由轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)得來(lái)。2）兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理

轉(zhuǎn)子永久磁鐵為S極的一端的鐵芯圓周上都呈S極性，另一端為N極的圓周上都呈N極性，如圖14-9所示。當(dāng)定子A相通電時(shí)，定子1、3、5、7極上的極性為N、S、N、S，這時(shí)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡位置為圖14-9a所示的位置，即定子磁極1和5上的齒與轉(zhuǎn)子S端上的齒對(duì)齊，而定子磁極l＇和5＇上的齒與轉(zhuǎn)子N端上的槽對(duì)齊；定子磁極3和7上的齒與轉(zhuǎn)子S端上的槽對(duì)齊，而定子磁極3＇和7＇上的齒與轉(zhuǎn)子S端上的齒對(duì)齊，如圖14-9b所示。此時(shí)，B相4個(gè)磁極（2、4、6、8極）上的齒與轉(zhuǎn)子齒都錯(cuò)開(kāi)1/4齒距。3．銘牌識(shí)讀

如圖14-10所示為86系列混合式（HB）步進(jìn)電機(jī)的銘牌，它標(biāo)注了步進(jìn)電機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)。4．步進(jìn)電機(jī)的拆裝

（1）拆卸前的準(zhǔn)備準(zhǔn)備、清潔好拆卸場(chǎng)地，常用電工工具及萬(wàn)用表等。步進(jìn)電機(jī)的拆卸、裝配步驟與普通三相電機(jī)相同，詳見(jiàn)教材表14-1。（3）步進(jìn)電機(jī)裝配完畢后的檢查工作1）用力轉(zhuǎn)動(dòng)一下轉(zhuǎn)子，觀察轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)是否靈活，有無(wú)摩擦聲。2）檢測(cè)每相繞組的電阻值，正常值為1.2Ω左右。3）用萬(wàn)用表“200MΩ”擋檢測(cè)每相繞組對(duì)外殼絕緣電阻，一般在100MΩ左右為正常。

任務(wù)二步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的安裝與調(diào)試

步進(jìn)電機(jī)受電脈沖信號(hào)控制，它需要專(zhuān)用電源供給電脈沖，這種電源稱(chēng)為步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，它是一種能使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的功率放大器，能把控制器（通常是PLC）發(fā)來(lái)的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移或線位移，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率（每秒鐘發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)）成正比，因此，控制脈沖頻率可以精確調(diào)速，控制脈沖數(shù)就可以精確定位。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖如圖14-13所示，控制器向步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出毫安級(jí)的脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器先進(jìn)行環(huán)形分配和細(xì)分，再進(jìn)行功率放大，變成安培級(jí)的脈沖信號(hào)發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)就按一定的速度和方向運(yùn)行。方向信號(hào)變?yōu)樨?fù)時(shí)，電機(jī)就反向運(yùn)行?？梢?jiàn)，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器最重要的功能是環(huán)形分配和功率放大。如圖14-14所示是DMA860H型步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的外形，其接口功能說(shuō)明如下。1．步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器（1）控制信號(hào)接口

其接口功能見(jiàn)教材表14-5。（2）電力接口

其接口功能見(jiàn)教材表14-6。（3）狀態(tài)指示

指示燈狀態(tài)見(jiàn)教材說(shuō)明（4）DMA860H型步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)接口電路DMA860H型步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器采用差分式接口電路，可進(jìn)行單端共陰極或者共陽(yáng)極等接口。有的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器只能是其中的一種接法，具體情況要查看說(shuō)明書(shū)。

控制系統(tǒng)（控制器）因要輸出脈沖信號(hào)，采用晶體管輸出，因此，大多數(shù)控制器如PLC只能輸出一種電平，或高電平或低電平。

例如，西門(mén)子PLC輸出只有高電平（PNP型），它和驅(qū)動(dòng)器只能共陰極的連接，如圖14-16所示。三菱FX系列PLC一般為低電平輸出，可與驅(qū)動(dòng)器共陽(yáng)極的連接。三菱FX3U有高電平和低電平輸出兩種，可共陽(yáng)或共陰連接。（6）撥碼開(kāi)關(guān)的設(shè)置

DMA860H型驅(qū)動(dòng)器采用八位撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定細(xì)分精度、動(dòng)態(tài)電流、靜止半流以及實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)和內(nèi)部調(diào)節(jié)參數(shù)的自整定，撥碼開(kāi)關(guān)功能描述如圖14-17所示，撥碼開(kāi)關(guān)向下為on，向上為off。1）工作電流（動(dòng)態(tài)電流）設(shè)定。工作電流設(shè)定見(jiàn)教材表14-7。2）靜態(tài)電流設(shè)定。

靜態(tài)電流可用SW4撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定，off表示靜態(tài)電流設(shè)為動(dòng)態(tài)電流的一半，on表示靜態(tài)電流與動(dòng)態(tài)電流相同。一般用途的應(yīng)將SW4設(shè)成0ff，使電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的發(fā)熱減少，可靠性提高。脈沖串停止后約0．4s電流自動(dòng)減至一半左右，為實(shí)際值的60％，發(fā)熱量理論上減至36％。3）微步細(xì)分設(shè)置。驅(qū)動(dòng)器細(xì)分設(shè)置見(jiàn)教材表14-8。4）參數(shù)自整定功能。若SW4在1s內(nèi)變化一次，驅(qū)動(dòng)器可自動(dòng)完成電機(jī)參數(shù)和內(nèi)部調(diào)節(jié)參數(shù)的自整定；在電機(jī)、供電電壓等條件發(fā)生變化時(shí)需進(jìn)行一次自整定，否則電機(jī)可能會(huì)運(yùn)行不正常。注意，此時(shí)不能輸入脈沖，方向信號(hào)也不應(yīng)變化。

參數(shù)自整定操作方法。SW4由on撥到0ff，然后在1s內(nèi)再由off撥回到on；或者SW4由off撥到on，然后在1s內(nèi)再由on撥回到