6ES7 215-1AG40-0XB0型号介绍
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是一种同步电机,其结构同其它电机一样,由定子和转子组成,定子为激磁场,其激磁磁场为脉冲式,即磁场以一定频率步进式旋转,转子则随磁场一步一步前进。步进电机主要有 反应式、电磁式、永磁式几种。下面以反应式步进电机为例,来讨论其工作原理:
步进电机由转子和定子两部分组成。转子和定子均由带齿的硅钢片叠成。定子上有绕组分为若干相,每相磁极上有极齿。当某相定子绕组通以直流电压激磁后,便吸引转子,使转子上的齿与该相定子的齿对齐,令转子转动一定的角度,依次向定子绕组轮流激磁,会使转子连续旋转。
步进电机的定子可以做成三、四、五、六相甚至于做成八相,各相绕组可在定子上径向排列,也可在定子的轴向上分段排列。
下面的flash为步进电机的工作原理动画演示,所选示例为单定子径向分相式反应步进电机的断面图。转子上有均匀分布的40个齿,没有绕组。a、b、c三相定子每相两极,每极上有5个齿,与转子一样齿间夹角均为9°。如果a相通电则转子齿与a相极齿对齐,这时在b相两极下定子齿与转子齿中心线并不对齐,而是转子齿中心线较定子齿中心线反时针方向落后1/3齿距,即3°。c相下,转子齿超前6°。因此,当通电状态由a相变为b相时,转子顺时针方向转过3°,c相通电再转3°。步距角为
双拍通电激磁,即按a-ab-b-bc-c-ca-a……的顺序通电激磁,则步距角为
一般而言
(1)
式中:m——绕组相数;
z——转子齿数,单拍通电kp=1,双拍通电kp=2。如果按上述相反的方向通电,则步进电机将反时针方向旋转。
图1所示为五相五定子轴向分相反应式步进电机。定子和转子都分为5段,呈轴向布置。其上均有16个齿,故齿距为22.5°,各相定子彼此径向错开1/5个齿的齿距(也可以由五段转子彼此径向错开1/5齿距)。如果按a-b-c-d-e-a……的五相五拍通电,步距角为
如果按ab-abc-bc-bcd-cd-cde-de-dea-ea-eab-ab……的十拍通电,则步距角为2.25°。
图1 五相五定子轴向分相反应式步进电机
图2(a)为160bf02型六相功率步进电机,电机的转子有40个齿,不分段由硅钢片叠成。步距角可以是1.5°或0.75°。电机的定子如图(b)所示由硅钢片叠成分为三段,每段有8个磁极,单数极属于同一相,双数极属于另一相,极齿的齿夹角也是360°/40=9°,每段上的两相磁极的极齿彼此便错开4.5°。三段定子装入机壳内时,三段上的记号槽相互径向错开120°,因而三段上三个均布键槽对齐,在键槽中用键固定。这样装配后,段与段之间的极齿便错开1.5°,如果段的两相为a、d相,则第二段为b、e相,第三段为c、f相。功率步进电机的输出转矩大,绕组上的电流大。结构上采用径向与轴向分相相结合的形式,径向尺寸小,惯性小,散热好,而且没有磁漏。
图2 160bf02型六相功率步进电机
直流与一般直流电机的基本原理是完全相同的,如图1所示,电机转子上的载流导体(即电枢绕组)在定子磁场中,受到电磁转矩m的作用,使电机转子旋转。电磁转矩
m=ktia(1)
式中:kr——电机的转矩系数(kt=cmф);
ia——电机电枢电流。
电枢转动后,因导体切割磁力线而产生反电势,其值为
ea=ken(2)
式中:ke——电机的转矩系数(ke=ceф);
n——电枢的转速(r/min)。
或反电势为
ea=ke60/2=ke'w(3)
式中,ke'——电势系数(ke'=60ke/2p)
ω——电枢的角速度(rad/s)。
作用在电枢的电压u应等于反电势与电枢电压降之和,即
(4)
式中,ra--电枢电阻。
上式就是电机的电压平衡方程。由式(2)和式(4)有
(5)
由上式可知,调节电机的转速有三种方法。
改变电枢电压u;
改变磁通量φ,即改变ke的值。改变激磁回路的电阻rj以改变激磁电流ij,可以达到改变磁通量φ的目的;
在电枢回路中串联调节电阻rj,此时,转速的计算公式变为
(6)
调节激磁回路电阻的方法,虽然容易控制,但激磁回路的电感大,因此,时间常数较大,调速的快速性较差。而且激磁回路串接电阻只能使激磁电流减小,所以转速只能由额定转速向上调高。在电枢回路中串接电阻的办法,转速只能调低,而且电阻上的铜耗大,这种方法并不经济。磁通量与电枢电阻固定不变,改变电枢电压的调速方法,一般都由电枢的额定电压向下调低,使电机转速由额定转速向下调低。尽管需要附加调压设备,但是它的调速范围大,所以直流伺服电机常用这种方法调速。
进给伺服系统是接受数控系统发出的位置与速度指令,驱动执行部件在一定切削条件下进行加工的控制系统。从自动控制的角度来看,位置指令是系统的一个控制输入,与切削或使用条件有关的负载可以说是系统的干扰输入。执行机构的位置(角位移或直线位移)是系统的输出。进给伺服系统典型的逻辑结构如图1所示:
图1 进给伺服系统典型的逻辑结构
则该系统的控制模型框图如图2所示:
图2 进给伺服系统控制模型框图
图2中方框中传递函数的含义是:g1(s)是控制系统的传递函数,它是指位置控制单元、速度控制单元和综合控制作用的等效传递函数;g2(s)是被控对象的传递函数,这里是指机械执行部件的传递函数;h(s)是反馈系统的传递函数,这里是指位置检测单元的传递函数;
图2中方框中传递函数的含义是:r(s)是输入信号,这里是指cnc装置输出的由插补指令累计的指令位置值xc;c(s)是输出信号, 这里是指机械执行部件工作台的位移量xd;e(s)是偏差信号,这里是指跟随误差△d;b(s)是反馈信号,这里是指工作台的实际位移量xa;n(s)是噪声信号,这里主要是指负载干扰,m(s)是控制量,这里是指伺服电机的较位移。图4-36模型的闭环传递函数为:
式中gk(s)为上述系统的开环传递函数,即有:
gk(s)=g1(s)g2(s)h(s)
对于图3所示的典型进给伺服系统逻辑结构,其传递函数框图可用图3表示,限于篇幅,其推导过程将不在这里展开了,有兴趣的学员可参看参考教材 第244页 [廖效果等《数控技术》 武汉:湖北科学技术出版社,2000]。
图3 传递函数框图
由图可知:x0是对xc和fd两个激励的响应,根据叠加原理,可先分别求出每个激励单独作用的响应,然后进行叠加。
当fd=0时,仅有xc激励的传递函数为
(1)
2)
式中的系数:a、b、c、d、e、h、d'、e'是由框图中的参数计算出的,具体表达式可参看参考教材 第245页 [廖效果等《数控技术》 武汉:湖北科学技术出版社,2000]。
当xc、fd同时激励时系统的响应为:
(3)
(4)
显然它是一个复杂的5阶系统,其传递函数也将是相当复杂的,若依据该函数研究系统性能参数的特性也将是很繁琐的。在实际中,当只定性研究系统的性能参数时,可在一定的条件下对系统进行简化,实践证明这种简化将不会对所研究性能参数的本质特征产生影响