反應式步進電機
1、反應式步進電機。如圖5-15
齒距角 θt=360°/Zr
步距角 θs=360°/mKZr
轉速 n=60f/NZr
步進電機轉向取決于定子繞組的通電順序。
2、步進電動機的主要性能指標
步進電動機的主要性能指標有：
(1)步距精度。我國生產的步進電動機的步距精度一般在±10--±30分的范圍，有些可達±2-±5分.
(2)靜轉矩。用以衡量步進電動機帶負載的能力。
(3)起動頻率。是使步進電動機能夠由靜止定位狀態(tài)不失步地起動，并進入正常運行的控制脈沖頻率。在電動機空載情況下，稱為空載起動頻率。在有負載情況下，不失步起動所允許的頻率將大大降低。
（4)連續(xù)運行頻率。步進電動機起動后，其轉速將跟隨控制脈沖頻率連續(xù)上升而不失步的控制脈沖的頻率稱為連續(xù)運行頻率的工作頻率。步進電動機的連續(xù)運行頻率隨負載的增大而下降，但步進電動機連續(xù)運行頻率遠高于其起動頻率。
3、常用的反應式、永磁感應予式步進電動機的主要區(qū)別
永磁感應子式步進電動機—的定子結構與反應式步進電動機的定子結構基本相同，也分成若干個極，極上有齒和控制線圈。但永磁感應子式步進電動機的轉子由兩段鐵心和位于中部的環(huán)形磁鋼組成。由于磁路內含有永久磁鋼，故當定子繞組斷電后仍具有一定的定位轉矩。
4、步進電動機的轉數(shù)和轉速的計算
步進電動機的步距角用下式計算：
θs=360°/mKZr
步進電動機的轉速用下式計算：
n=60f/NZr
5、步進電動機對驅動電源的要求，驅動電源的組成和功能
步進電動機的運行性能是步進電動機和驅動電源的綜合體現(xiàn)。驅動電源應滿足以下基本要求：
(1)電源的相數(shù)、通電方式、電壓、電流應與步進電動機的基本參數(shù)相適應；
(2)能滿足步進電動機起動頻率和運行頻率的要求；
(3)工作可靠，抗干擾能力強；
(4)成本低，效率高，安裝和維護方便。
驅動電源通常由環(huán)形分配器和功率驅動器組成。環(huán)形分配器的功能可由硬件，軟件以及軟、硬件相結合的方式來實現(xiàn)。其主要功能是將CNC裝置的插補脈沖，按步進電動機所要求的規(guī)律分配給功率驅動器的各相輸入端，以控制步進電動機勵磁繞組的導通或關斷。由于電動機有正反轉要求,所以環(huán)形分配器的輸出是
周期性的，又是可逆的。功率驅動器的功能是將環(huán)形分配器輸出的脈沖信號放大，以便用足夠的功率來驅動步進電動機。
三、直流主軸電動機、交流主軸電動機、永磁直流伺服電動機、永磁同步交流伺服電動機的結構及特點，以及它們之間的區(qū)別
直流主軸電動機的結構與普通直流電動機的結構基本相同。兩者之間的主要區(qū)別是：直流主軸電動機在主磁極上除了繞有主磁極繞組外，還繞有補償繞組，以便抵消轉子反應磁動勢對氣隙主磁通的影響，改善電動機的調速性能；直流主軸電動機都采用軸向強迫通風冷卻或熱管冷卻，以改善冷卻效果；直流主軸電動機尾部都同軸裝有速度檢測元件，如測速發(fā)電機；直流主軸電動機一般都能承受150％的過載負荷。
永磁直流伺服電動機由電動機本體和檢測部件組成。反饋用的檢測部件裝在電動機的尾部門（非軸伸出端)。電動機本體主要由機殼、定子磁極和轉子三部分組成。
定子磁極是一個永磁體。由于是采取永磁式勵磁方式，不需要勵磁功率，在同樣的輸出功率下有較小的體積和較輕的重量。
轉子分為普通型和小慣量型兩類。小慣量型轉子直流伺服電動機的共同特點是轉子慣量小，適合于快速響應的伺服系統(tǒng)。但其過載能力低，當用于數(shù)控機．床等進給伺服系統(tǒng)中時，由于轉子慣量與機械傳動系統(tǒng)匹配較差，電動機軸與機械傳動系統(tǒng)不能直接相連，必須采取一些措施。普通型轉子與一般直流電動機的轉子相似，也是有槽轉子，只是轉子鐵芯上的槽數(shù)較多，且采用斜槽，在一個槽內又分布有幾個虛槽，以減小轉矩的波動。與一般直流電動機相比，轉子鐵芯長度對直徑的比大些，氣隙小些。普通型轉子永磁直流伺服電動機與小慣量型轉子直流伺服電動機相比，具有以下一些特點：
(1)低速時輸出的轉矩大，慣量比較大，能與機械傳動系統(tǒng)直接相連，省去齒輪等傳動機構，從而有利于減小機械振動和噪聲，以及齒隙誤差。
(2)轉子的熱容量大，電動機的過載性能好，一般能加倍過載幾十分鐘。
(3)調速范圍寬，當與高性能速度控制單元組成速度控制系統(tǒng)時，調速范圍可達1：1000以上。
(4)轉子慣量比較大，為了滿足快速響應的要求，需要加大電動機的加速轉矩，為此需要加大電源容量。
(5)轉子溫升高(電動機允許溫升可達150℃~180℃)，可通過轉軸傳到機械上去，這會影響精密機械的精度。
四、交流主軸電動機都采用感應電動機的結構，是經過專門設計的鼠籠式三相異步電動機。帶有三相繞組的定子和帶有籠條的轉子是電動機的核心。它沒有外殼，定子鐵芯直接暴露在空氣中，而且在定子鐵芯上做有軸向通風孔，以利于電動機冷卻、縮小電動機體積，增大輸出功率。轉子做成細長形，以減小轉子的轉動慣量。交流主軸電動機的外形呈多邊形，而不是圓形。交流主軸電動機的尾部都同軸安裝有脈沖發(fā)生器(或脈沖編碼器)。交流主軸電動機也具有一定的過載能力，一般能在額定負載的1.2-1.5倍負載下工作幾分鐘至半個小時。
永磁同步交流伺服電動機主要由三部分組成：定子、轉子和檢測部件。定子形狀與普通感應電動機的定子相似，具有齒槽，內有三相繞組。但其外表面多呈多邊形，且無外殼，這樣有利于散熱。轉子帶有永磁體，由多塊永久磁鐵和沖片組成。
直流伺服電動機與交流伺服電動機的主要區(qū)別是前者帶有電刷和換向器而后者不帶。永磁直流伺服電動機與永磁同步交流伺服電動機的區(qū)別除了有無電刷和換向器外，再就是前者的定子磁極是一個永磁體而后者的轉子帶有永磁體。伺服電動機與普通電動機的一個明顯區(qū)別是前者都同軸裝有用于反饋的檢測元件而后者沒有。主軸直流電動機與普通直流電動機以及主軸交流電動機普通交流電動機的區(qū)別比較明顯，不再贅述。還應該指出，上述四種電動機的調速方法也不相同。
五、直流主軸電動機、交流主軸電動機、永磁直流伺服電動機、永磁同步交流伺服電動機的性能及速度控制方法
1、直流伺服電動機的優(yōu)點是具有優(yōu)良的調速性能。其缺點是電動機的電刷和換向器容易磨損，需要經常維護；由于換向器換向時會產生火花而使轉速受到限制，也使應用環(huán)境受到限制；直流電動機結構復雜，制造困難，成本高。采用交流伺服電動機完全克服了直流伺服電動機固有的缺點，并且通過采取措施也可以獲得好的調速性能。
2、永磁直流伺服電動機和永磁同步交流伺服電動機的性能，由于其伺服系統(tǒng)的要求，需要用一些特性曲線和數(shù)據(jù)表加以全面描述。其中最重要的是電動機的工作曲線。在數(shù)據(jù)表中給出了有關電動機性能的一些參數(shù)值，是選購和使用電動機的不可少的參考資料。
3、直流主軸電動機為他勵直流電動機，電動機的電磁轉矩可以：Te=CTφIa
由于電磁轉矩中的兩個可控量中 和 是互相獨立的，所以可以方便地分別進行調節(jié)。而且這種關系無論在靜態(tài)還是在動態(tài)都成立。這就保證了電動機的良好的靜、動態(tài)轉矩控制特性，從而得到優(yōu)良的調速性能。
直流主軸電動機在基本速度以下為恒轉矩范圍，在基本速度以上為恒功率范圍。因此采用雙域調速系統(tǒng)調速，由轉子繞組控制回路和磁場控制回路兩部分組成。在轉子繞組控制回路中，通過改變轉子繞組電壓(即外加電壓)調速，為恒轉矩調速，適于基本速度以下的恒轉矩范圍。在磁場控制回路中，通過改變勵磁電流 (即改變磁通 )調速，為恒功率調速，適于基本速度以上的恒功率范圍。
與直流主軸電動機相類似，交流主軸電動機也存在一個基本速度，在基本速度以下為恒轉矩區(qū)域，在基本速度以上為恒功率區(qū)域。恒功率的速度范圍只有1：3的速度比，當速度超過一定值后，功率一速度特性曲線會向下傾斜。
對于交流主軸電動機、氣隙磁通和轉子電流不是獨立變量，它們都是轉差率S的函數(shù)，無法分開進行獨立控制。另外，被控量是既有大小又有相位的矢量，比標量難控制得多。為了改善交流主軸電動機的控制．性能，常采用矢量控制調速方法。這種調速方法將被控變量從矢量轉換為標量，通過這種轉換，將交流電動機模擬成直流電動機來控制其轉矩，從而獲得高動態(tài)調速性能。
用于數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)中的永磁直流伺服電動機多采用改變外加電壓的調速方法。這是因為這種調速方法具有恒轉矩調速特性、機械特性好、經濟性能好等特點?，F(xiàn)代數(shù)控機床的直流進給伺服系統(tǒng)中多采用晶體管脈寬調制調速系統(tǒng)。所謂脈寬調制調速，就是利用脈寬調制器對大功率晶體管開關放大器的開關時間進行控制，將直流電壓轉換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電動機轉子繞組兩端，通過對矩形波脈沖寬度的控制，改變轉子繞組兩端的平均電壓，從而達到調節(jié)電動機轉速的目的。
永磁同步交流伺服電動機轉子轉速為：
轉子轉速； nr=ns=60f/P
可見，可以通過改變電動機電源頻率來調速。該方法可以實現(xiàn)無級調速，能夠較好地滿足數(shù)控機床的要求。為電動機供電的變頻電源采用交一直一交變頻器。可以采用不同的方案來實現(xiàn)永磁同步交流伺服電動機的調速控制，常見的有自同步控制變頻調速，電流控制調速和矢量控制調速等。
1、反應式步進電機。如圖5-15
齒距角 θt=360°/Zr
步距角 θs=360°/mKZr
轉速 n=60f/NZr
步進電機轉向取決于定子繞組的通電順序。
2、步進電動機的主要性能指標
步進電動機的主要性能指標有：
(1)步距精度。我國生產的步進電動機的步距精度一般在±10--±30分的范圍，有些可達±2-±5分.
(2)靜轉矩。用以衡量步進電動機帶負載的能力。
(3)起動頻率。是使步進電動機能夠由靜止定位狀態(tài)不失步地起動，并進入正常運行的控制脈沖頻率。在電動機空載情況下，稱為空載起動頻率。在有負載情況下，不失步起動所允許的頻率將大大降低。
（4)連續(xù)運行頻率。步進電動機起動后，其轉速將跟隨控制脈沖頻率連續(xù)上升而不失步的控制脈沖的頻率稱為連續(xù)運行頻率的工作頻率。步進電動機的連續(xù)運行頻率隨負載的增大而下降，但步進電動機連續(xù)運行頻率遠高于其起動頻率。
3、常用的反應式、永磁感應予式步進電動機的主要區(qū)別
永磁感應子式步進電動機—的定子結構與反應式步進電動機的定子結構基本相同，也分成若干個極，極上有齒和控制線圈。但永磁感應子式步進電動機的轉子由兩段鐵心和位于中部的環(huán)形磁鋼組成。由于磁路內含有永久磁鋼，故當定子繞組斷電后仍具有一定的定位轉矩。
4、步進電動機的轉數(shù)和轉速的計算
步進電動機的步距角用下式計算：
θs=360°/mKZr
步進電動機的轉速用下式計算：
n=60f/NZr
5、步進電動機對驅動電源的要求，驅動電源的組成和功能
步進電動機的運行性能是步進電動機和驅動電源的綜合體現(xiàn)。驅動電源應滿足以下基本要求：
(1)電源的相數(shù)、通電方式、電壓、電流應與步進電動機的基本參數(shù)相適應；
(2)能滿足步進電動機起動頻率和運行頻率的要求；
(3)工作可靠，抗干擾能力強；
(4)成本低，效率高，安裝和維護方便。
驅動電源通常由環(huán)形分配器和功率驅動器組成。環(huán)形分配器的功能可由硬件，軟件以及軟、硬件相結合的方式來實現(xiàn)。其主要功能是將CNC裝置的插補脈沖，按步進電動機所要求的規(guī)律分配給功率驅動器的各相輸入端，以控制步進電動機勵磁繞組的導通或關斷。由于電動機有正反轉要求,所以環(huán)形分配器的輸出是
周期性的，又是可逆的。功率驅動器的功能是將環(huán)形分配器輸出的脈沖信號放大，以便用足夠的功率來驅動步進電動機。
三、直流主軸電動機、交流主軸電動機、永磁直流伺服電動機、永磁同步交流伺服電動機的結構及特點，以及它們之間的區(qū)別
直流主軸電動機的結構與普通直流電動機的結構基本相同。兩者之間的主要區(qū)別是：直流主軸電動機在主磁極上除了繞有主磁極繞組外，還繞有補償繞組，以便抵消轉子反應磁動勢對氣隙主磁通的影響，改善電動機的調速性能；直流主軸電動機都采用軸向強迫通風冷卻或熱管冷卻，以改善冷卻效果；直流主軸電動機尾部都同軸裝有速度檢測元件，如測速發(fā)電機；直流主軸電動機一般都能承受150％的過載負荷。
永磁直流伺服電動機由電動機本體和檢測部件組成。反饋用的檢測部件裝在電動機的尾部門（非軸伸出端)。電動機本體主要由機殼、定子磁極和轉子三部分組成。
定子磁極是一個永磁體。由于是采取永磁式勵磁方式，不需要勵磁功率，在同樣的輸出功率下有較小的體積和較輕的重量。
轉子分為普通型和小慣量型兩類。小慣量型轉子直流伺服電動機的共同特點是轉子慣量小，適合于快速響應的伺服系統(tǒng)。但其過載能力低，當用于數(shù)控機．床等進給伺服系統(tǒng)中時，由于轉子慣量與機械傳動系統(tǒng)匹配較差，電動機軸與機械傳動系統(tǒng)不能直接相連，必須采取一些措施。普通型轉子與一般直流電動機的轉子相似，也是有槽轉子，只是轉子鐵芯上的槽數(shù)較多，且采用斜槽，在一個槽內又分布有幾個虛槽，以減小轉矩的波動。與一般直流電動機相比，轉子鐵芯長度對直徑的比大些，氣隙小些。普通型轉子永磁直流伺服電動機與小慣量型轉子直流伺服電動機相比，具有以下一些特點：
(1)低速時輸出的轉矩大，慣量比較大，能與機械傳動系統(tǒng)直接相連，省去齒輪等傳動機構，從而有利于減小機械振動和噪聲，以及齒隙誤差。
(2)轉子的熱容量大，電動機的過載性能好，一般能加倍過載幾十分鐘。
(3)調速范圍寬，當與高性能速度控制單元組成速度控制系統(tǒng)時，調速范圍可達1：1000以上。
(4)轉子慣量比較大，為了滿足快速響應的要求，需要加大電動機的加速轉矩，為此需要加大電源容量。
(5)轉子溫升高(電動機允許溫升可達150℃~180℃)，可通過轉軸傳到機械上去，這會影響精密機械的精度。
四、交流主軸電動機都采用感應電動機的結構，是經過專門設計的鼠籠式三相異步電動機。帶有三相繞組的定子和帶有籠條的轉子是電動機的核心。它沒有外殼，定子鐵芯直接暴露在空氣中，而且在定子鐵芯上做有軸向通風孔，以利于電動機冷卻、縮小電動機體積，增大輸出功率。轉子做成細長形，以減小轉子的轉動慣量。交流主軸電動機的外形呈多邊形，而不是圓形。交流主軸電動機的尾部都同軸安裝有脈沖發(fā)生器(或脈沖編碼器)。交流主軸電動機也具有一定的過載能力，一般能在額定負載的1.2-1.5倍負載下工作幾分鐘至半個小時。
永磁同步交流伺服電動機主要由三部分組成：定子、轉子和檢測部件。定子形狀與普通感應電動機的定子相似，具有齒槽，內有三相繞組。但其外表面多呈多邊形，且無外殼，這樣有利于散熱。轉子帶有永磁體，由多塊永久磁鐵和沖片組成。
直流伺服電動機與交流伺服電動機的主要區(qū)別是前者帶有電刷和換向器而后者不帶。永磁直流伺服電動機與永磁同步交流伺服電動機的區(qū)別除了有無電刷和換向器外，再就是前者的定子磁極是一個永磁體而后者的轉子帶有永磁體。伺服電動機與普通電動機的一個明顯區(qū)別是前者都同軸裝有用于反饋的檢測元件而后者沒有。主軸直流電動機與普通直流電動機以及主軸交流電動機普通交流電動機的區(qū)別比較明顯，不再贅述。還應該指出，上述四種電動機的調速方法也不相同。
五、直流主軸電動機、交流主軸電動機、永磁直流伺服電動機、永磁同步交流伺服電動機的性能及速度控制方法
1、直流伺服電動機的優(yōu)點是具有優(yōu)良的調速性能。其缺點是電動機的電刷和換向器容易磨損，需要經常維護；由于換向器換向時會產生火花而使轉速受到限制，也使應用環(huán)境受到限制；直流電動機結構復雜，制造困難，成本高。采用交流伺服電動機完全克服了直流伺服電動機固有的缺點，并且通過采取措施也可以獲得好的調速性能。
2、永磁直流伺服電動機和永磁同步交流伺服電動機的性能，由于其伺服系統(tǒng)的要求，需要用一些特性曲線和數(shù)據(jù)表加以全面描述。其中最重要的是電動機的工作曲線。在數(shù)據(jù)表中給出了有關電動機性能的一些參數(shù)值，是選購和使用電動機的不可少的參考資料。
3、直流主軸電動機為他勵直流電動機，電動機的電磁轉矩可以：Te=CTφIa
由于電磁轉矩中的兩個可控量中 和 是互相獨立的，所以可以方便地分別進行調節(jié)。而且這種關系無論在靜態(tài)還是在動態(tài)都成立。這就保證了電動機的良好的靜、動態(tài)轉矩控制特性，從而得到優(yōu)良的調速性能。
直流主軸電動機在基本速度以下為恒轉矩范圍，在基本速度以上為恒功率范圍。因此采用雙域調速系統(tǒng)調速，由轉子繞組控制回路和磁場控制回路兩部分組成。在轉子繞組控制回路中，通過改變轉子繞組電壓(即外加電壓)調速，為恒轉矩調速，適于基本速度以下的恒轉矩范圍。在磁場控制回路中，通過改變勵磁電流 (即改變磁通 )調速，為恒功率調速，適于基本速度以上的恒功率范圍。
與直流主軸電動機相類似，交流主軸電動機也存在一個基本速度，在基本速度以下為恒轉矩區(qū)域，在基本速度以上為恒功率區(qū)域。恒功率的速度范圍只有1：3的速度比，當速度超過一定值后，功率一速度特性曲線會向下傾斜。
對于交流主軸電動機、氣隙磁通和轉子電流不是獨立變量，它們都是轉差率S的函數(shù)，無法分開進行獨立控制。另外，被控量是既有大小又有相位的矢量，比標量難控制得多。為了改善交流主軸電動機的控制．性能，常采用矢量控制調速方法。這種調速方法將被控變量從矢量轉換為標量，通過這種轉換，將交流電動機模擬成直流電動機來控制其轉矩，從而獲得高動態(tài)調速性能。
用于數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)中的永磁直流伺服電動機多采用改變外加電壓的調速方法。這是因為這種調速方法具有恒轉矩調速特性、機械特性好、經濟性能好等特點?，F(xiàn)代數(shù)控機床的直流進給伺服系統(tǒng)中多采用晶體管脈寬調制調速系統(tǒng)。所謂脈寬調制調速，就是利用脈寬調制器對大功率晶體管開關放大器的開關時間進行控制，將直流電壓轉換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電動機轉子繞組兩端，通過對矩形波脈沖寬度的控制，改變轉子繞組兩端的平均電壓，從而達到調節(jié)電動機轉速的目的。
永磁同步交流伺服電動機轉子轉速為：
轉子轉速； nr=ns=60f/P
可見，可以通過改變電動機電源頻率來調速。該方法可以實現(xiàn)無級調速，能夠較好地滿足數(shù)控機床的要求。為電動機供電的變頻電源采用交一直一交變頻器。可以采用不同的方案來實現(xiàn)永磁同步交流伺服電動機的調速控制，常見的有自同步控制變頻調速，電流控制調速和矢量控制調速等。