08年机电设备：数控机床及工业机器人（4）

1、反应式步进电机。
齿距角 θt=360°/Zr
步距角 θs=360°/mKZr
转速 n=60f/NZr
步进电机转向取决于定子绕组的通电顺序。
2、步进电动机的主要性能指标
步进电动机的主要性能指标有：
(1)步距精度。我国生产的步进电动机的步距精度一般在±10--±30分的范围，有些可达±2-±5分.
(2)静转矩。用以衡量步进电动机带负载的能力。
(3)起动频率。是使步进电动机能够由静止定位状态不失步地起动，并进入正常运行的控制脉冲频率。在电动机空载情况下，称为空载起动频率。在有负载情况下，不失步起动所允许的频率将大大降低。
(4)连续运行频率。步进电动机起动后，其转速将跟随控制脉冲频率连续上升而不失步的控制脉冲的频率称为连续运行频率的工作频率。步进电动机的连续运行频率随负载的增大而下降，但步进电动机连续运行频率远高于其起动频率。
3、常用的反应式、永磁感应予式步进电动机的主要区别
永磁感应子式步进电动机—的定子结构与反应式步进电动机的定子结构基本相同，也分成若干个极，极上有齿和控制线圈。但永磁感应子式步进电动机的转子由两段铁心和位于中部的环形磁钢组成。由于磁路内含有永久磁钢，故当定子绕组断电后仍具有一定的定位转矩。
4、步进电动机的转数和转速的计算
步进电动机的步距角用下式计算：
θs=360°/mKZr
步进电动机的转速用下式计算：
n=60f/NZr
5、步进电动机对驱动电源的要求，驱动电源的组成和功能
步进电动机的运行性能是步进电动机和驱动电源的综合体现。驱动电源应满足以下基本要求：
(1)电源的相数、通电方式、电压、电流应与步进电动机的基本参数相适应；
(2)能满足步进电动机起动频率和运行频率的要求；
(3)工作可靠，抗干扰能力强；
(4)成本低，效率高，安装和维护方便。
驱动电源通常由环形分配器和功率驱动器组成。环形分配器的功能可由硬件，软件以及软、硬件相结合的方式来实现。其主要功能是将CNC装置的插补脉冲，按步进电动机所要求的规律分配给功率驱动器的各相输入端，以控制步进电动机励磁绕组的导通或关断。由于电动机有正反转要求,所以环形分配器的输出是
周期性的，又是可逆的。功率驱动器的功能是将环形分配器输出的脉冲信号放大，以便用足够的功率来驱动步进电动机。
三、直流主轴电动机、交流主轴电动机、永磁直流伺服电动机、永磁同步交流伺服电动机的结构及特点，以及它们之间的区别
直流主轴电动机的结构与普通直流电动机的结构基本相同。两者之间的主要区别是：直流主轴电动机在主磁极上除了绕有主磁极绕组外，还绕有补偿绕组，以便抵消转子反应磁动势对气隙主磁通的影响，改善电动机的调速性能；直流主轴电动机都采用轴向强迫通风冷却或热管冷却，以改善冷却效果；直流主轴电动机尾部都同轴装有速度检测元件，如测速发电机；直流主轴电动机一般都能承受150％的过载负荷。
永磁直流伺服电动机由电动机本体和检测部件组成。反馈用的检测部件装在电动机的尾部门（非轴伸出端)。电动机本体主要由机壳、定子磁极和转子三部分组成。
定子磁极是一个永磁体。由于是采取永磁式励磁方式，不需要励磁功率，在同样的输出功率下有较小的体积和较轻的重量。
转子分为普通型和小惯量型两类。小惯量型转子直流伺服电动机的共同特点是转子惯量小，适合于快速响应的伺服系统。但其过载能力低，当用于数控机．床等进给伺服系统中时，由于转子惯量与机械传动系统匹配较差，电动机轴与机械传动系统不能直接相连，必须采取一些措施。普通型转子与一般直流电动机的转子相似，也是有槽转子，只是转子铁芯上的槽数较多，且采用斜槽，在一个槽内又分布有几个虚槽，以减小转矩的波动。与一般直流电动机相比，转子铁芯长度对直径的比大些，气隙小些。普通型转子永磁直流伺服电动机与小惯量型转子直流伺服电动机相比，具有以下一些特点：
(1)低速时输出的转矩大，惯量比较大，能与机械传动系统直接相连，省去齿轮等传动机构，从而有利于减小机械振动和噪声，以及齿隙误差。
(2)转子的热容量大，电动机的过载性能好，一般能加倍过载几十分钟。
(3)调速范围宽，当与高性能速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围可达1：1000以上。
(4)转子惯量比较大，为了满足快速响应的要求，需要加大电动机的加速转矩，为此需要加大电源容量。
(5)转子温升高(电动机允许温升可达150℃~180℃)，可通过转轴传到机械上去，这会影响精密机械的精度。
四、交流主轴电动机都采用感应电动机的结构，是经过专门设计的鼠笼式三相异步电动机。带有三相绕组的定子和带有笼条的转子是电动机的核心。它没有外壳，定子铁芯直接暴露在空气中，而且在定子铁芯上做有轴向通风孔，以利于电动机冷却、缩小电动机体积，增大输出功率。转子做成细长形，以减小转子的转动惯量。交流主轴电动机的外形呈多边形，而不是圆形。交流主轴电动机的尾部都同轴安装有脉冲发生器(或脉冲编码器)。交流主轴电动机也具有一定的过载能力，一般能在额定负载的1.2-1.5倍负载下工作几分钟至半个小时。
永磁同步交流伺服电动机主要由三部分组成：定子、转子和检测部件。定子形状与普通感应电动机的定子相似，具有齿槽，内有三相绕组。但其外表面多呈多边形，且无外壳，这样有利于散热。转子带有永磁体，由多块永久磁铁和冲片组成。
直流伺服电动机与交流伺服电动机的主要区别是前者带有电刷和换向器而后者不带。永磁直流伺服电动机与永磁同步交流伺服电动机的区别除了有无电刷和换向器外，再就是前者的定子磁极是一个永磁体而后者的转子带有永磁体。伺服电动机与普通电动机的一个明显区别是前者都同轴装有用于反馈的检测元件而后者没有。主轴直流电动机与普通直流电动机以及主轴交流电动机普通交流电动机的区别比较明显，不再赘述。还应该指出，上述四种电动机的调速方法也不相同。
五、直流主轴电动机、交流主轴电动机、永磁直流伺服电动机、永磁同步交流伺服电动机的性能及速度控制方法
1、直流伺服电动机的优点是具有优良的调速性能。其缺点是电动机的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花而使转速受到限制，也使应用环境受到限制；直流电动机结构复杂，制造困难，成本高。采用交流伺服电动机完全克服了直流伺服电动机固有的缺点，并且通过采取措施也可以获得好的调速性能。
2、永磁直流伺服电动机和永磁同步交流伺服电动机的性能，由于其伺服系统的要求，需要用一些特性曲线和数据表加以全面描述。其中最重要的是电动机的工作曲线。在数据表中给出了有关电动机性能的一些参数值，是选购和使用电动机的不可少的参考资料。
3、直流主轴电动机为他励直流电动机，电动机的电磁转矩可以：Te=CTφIa
由于电磁转矩中的两个可控量中 和 是互相独立的，所以可以方便地分别进行调节。而且这种关系无论在静态还是在动态都成立。这就保证了电动机的良好的静、动态转矩控制特性，从而得到优良的调速性能。
直流主轴电动机在基本速度以下为恒转矩范围，在基本速度以上为恒功率范围。因此采用双域调速系统调速，由转子绕组控制回路和磁场控制回路两部分组成。在转子绕组控制回路中，通过改变转子绕组电压(即外加电压)调速，为恒转矩调速，适于基本速度以下的恒转矩范围。在磁场控制回路中，通过改变励磁电流 (即改变磁通 )调速，为恒功率调速，适于基本速度以上的恒功率范围。
与直流主轴电动机相类似，交流主轴电动机也存在一个基本速度，在基本速度以下为恒转矩区域，在基本速度以上为恒功率区域。恒功率的速度范围只有1：3的速度比，当速度超过一定值后，功率一速度特性曲线会向下倾斜。
对于交流主轴电动机、气隙磁通和转子电流不是独立变量，它们都是转差率S的函数，无法分开进行独立控制。另外，被控量是既有大小又有相位的矢量，比标量难控制得多。为了改善交流主轴电动机的控制．性能，常采用矢量控制调速方法。这种调速方法将被控变量从矢量转换为标量，通过这种转换，将交流电动机模拟成直流电动机来控制其转矩，从而获得高动态调速性能。
用于数控机床进给伺服系统中的永磁直流伺服电动机多采用改变外加电压的调速方法。这是因为这种调速方法具有恒转矩调速特性、机械特性好、经济性能好等特点。现代数控机床的直流进给伺服系统中多采用晶体管脉宽调制调速系统。所谓脉宽调制调速，就是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电动机转子绕组两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变转子绕组两端的平均电压，从而达到调节电动机转速的目的。
永磁同步交流伺服电动机转子转速为：
转子转速； nr=ns=60f/P
可见，可以通过改变电动机电源频率来调速。该方法可以实现无级调速，能够较好地满足数控机床的要求。为电动机供电的变频电源采用交一直一交变频器。可以采用不同的方案来实现永磁同步交流伺服电动机的调速控制，常见的有自同步控制变频调速，电流控制调速和矢量控制调速等。