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步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的斷面圖如下圖所示。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造上大致分為定子與轉(zhuǎn)子兩部分。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子1、轉(zhuǎn)子2、永磁磁鋼3部分構(gòu)成。
此外，轉(zhuǎn)子已被軸向磁化，轉(zhuǎn)子1為N極時(shí)，轉(zhuǎn)子2則為S極。

定子擁有小齒狀的磁極，皆繞有線圈。其線圈的對(duì)角位置的磁極相互連接著，通電時(shí)，線圈即會(huì)被磁化成同一極性。（例如對(duì)某一線圈進(jìn)行通電后，對(duì)角線的磁極將磁化成S極或N極。） 對(duì)角線的2個(gè)磁極形成1個(gè)相。
有A相至E相等5個(gè)相位的機(jī)型稱為5相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、有A相和B相2個(gè)相位的機(jī)型稱為2相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
轉(zhuǎn)子的外圈由50個(gè)小齒構(gòu)成，轉(zhuǎn)子1和轉(zhuǎn)子2的小齒于構(gòu)造上互相錯(cuò)開1/2螺距。

勵(lì)磁：是指電動(dòng)機(jī)線圈通電時(shí)的狀態(tài)
磁極：是指勵(lì)磁后變成電磁鐵的定子突出部分
小齒：是指轉(zhuǎn)子和定子的小齒

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作原理

下面以5相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為實(shí)例，針對(duì)實(shí)際上經(jīng)過磁化后的轉(zhuǎn)子及定子的小齒的位置關(guān)系進(jìn)行說明。

將A相勵(lì)磁時(shí)

將A相勵(lì)磁，會(huì)使得磁極磁化成S極，而其將與帶有N極極性的轉(zhuǎn)子1的小齒互相吸引，并與帶有S極極性的轉(zhuǎn)子2的小齒相斥，于平衡后停止。此時(shí)，沒有勵(lì)磁的B相磁極的小齒和帶有S極極性的轉(zhuǎn)子2的小齒互相偏離0.72°。以上是A相勵(lì)磁時(shí)的定子和轉(zhuǎn)子小齒的位置關(guān)系。

將B相勵(lì)磁時(shí)

其次由A相勵(lì)磁轉(zhuǎn)為B相勵(lì)磁時(shí)，B相磁極磁化成N極，與擁有S極極性的轉(zhuǎn)子2互相吸引，而與擁有N極極性的轉(zhuǎn)子1相斥。

也就是說，將勵(lì)磁相從A相勵(lì)磁轉(zhuǎn)換至B相勵(lì)磁時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)0.72°。
由此可知，勵(lì)磁相位隨A相→B相→C相→D相→E相→A相依次轉(zhuǎn)換，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以每次0.72°做正確的旋轉(zhuǎn)。
此外，希望作反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，只需將勵(lì)磁順序倒轉(zhuǎn)，依照A相→E相→D相→C相→B相→A相勵(lì)磁即可。
0.72°的高分辨率取決于定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)造上的機(jī)械偏移量，所以不需要編碼器等傳感器即可正確定位。

開環(huán)控制與系統(tǒng)構(gòu)成示例

下圖為脈沖型驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)的系統(tǒng)構(gòu)成示例。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行開環(huán)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)從控制器所輸出的脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)同步，以設(shè)計(jì)的步距角（分辨率）進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。此類開環(huán)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相對(duì)于轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的波動(dòng)范圍很小，同步性較高，可以在沒有轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的情況下運(yùn)行。

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伺服電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造

AC伺服電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)機(jī)的反輸出軸側(cè)搭載有轉(zhuǎn)速探測(cè)器（編碼器），通過檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，可執(zhí)行高分辨率、高響應(yīng)定位運(yùn)行。

編碼器是檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和位置的傳感器。
發(fā)光二極管（LED）發(fā)出的光線穿過切口圓盤上的位置檢測(cè)模式，由受光元件讀取。受光元件上集成有數(shù)十個(gè)光電晶體管。絕對(duì)位置檢測(cè)用模式因編碼器的旋轉(zhuǎn)角度不同而全部不同。
編碼器搭載CPU，對(duì)絕對(duì)位置檢測(cè)用模式進(jìn)行分析。通過串行通信將該當(dāng)前位置數(shù)據(jù)傳送到伺服驅(qū)動(dòng)器。

編碼器的種類

絕對(duì)式編碼器

電動(dòng)機(jī)搭載編碼器，用于向驅(qū)動(dòng)器反饋電動(dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)位置及轉(zhuǎn)速。
根據(jù)構(gòu)造的不同，可以分為絕對(duì)式編碼器與增量式編碼器兩類。
本公司的AC伺服電動(dòng)機(jī)NX系列使用了20bit的絕對(duì)式編碼器，實(shí)現(xiàn)了在低速領(lǐng)域的低振動(dòng)。

絕對(duì)式編碼器可檢測(cè)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈內(nèi)的絕對(duì)位置，并輸出旋轉(zhuǎn)角度的絕對(duì)位置。
通常，通電后先發(fā)送旋轉(zhuǎn)圈速信息至驅(qū)動(dòng)器，再輸出當(dāng)前位置信號(hào)。

增量式編碼器

用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)量、轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向的編碼器。
對(duì)應(yīng)角度的變化，輸出相應(yīng)的脈沖信號(hào)。通常，直接發(fā)送檢測(cè)出的波形，因此停電時(shí)當(dāng)前位置無法保存。

AC伺服電動(dòng)機(jī)的控制配置圖

對(duì)來自外部的脈沖信號(hào)（脈沖序列輸入型時(shí)）和伺服電動(dòng)機(jī)的編碼器檢測(cè)到的運(yùn)轉(zhuǎn)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，將其差分（偏差）輸出到速度控制部。這個(gè)計(jì)數(shù)器被稱為偏差計(jì)數(shù)器。
電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，偏差計(jì)數(shù)器出現(xiàn)積存脈沖（＝位置偏差），將該積存脈沖控制為0。
通過定位環(huán)（偏差計(jì)數(shù)器）實(shí)現(xiàn)了保持當(dāng)前位置的（伺服鎖定）功能。

AC伺服電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)和編碼器、以及驅(qū)動(dòng)器3個(gè)要素構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)器的作用是對(duì)位置指令和編碼器的位置、速度信息進(jìn)行比較，控制驅(qū)動(dòng)電流。 AC伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)常會(huì)通過編碼器的位置、速度信息檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，因此，萬一電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，也能夠向控制器側(cè)輸出警報(bào)信號(hào)，檢測(cè)出異常狀態(tài)。 AC伺服電動(dòng)機(jī)必須根據(jù)機(jī)構(gòu)的剛性及負(fù)載條件來調(diào)整控制系統(tǒng)的參數(shù)，但近年來采用了實(shí)時(shí)自動(dòng)增益調(diào)整，這種調(diào)整變得非常簡(jiǎn)單。

閉環(huán)控制與系統(tǒng)構(gòu)成示例

下圖為脈沖型驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)的系統(tǒng)構(gòu)成示例。 電動(dòng)機(jī)搭載旋轉(zhuǎn)檢測(cè)器（編碼器），向驅(qū)動(dòng)器反饋電動(dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)位置／轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)器通過演算從控制器發(fā)出的脈沖信號(hào)（位置指令／速度指令）與反饋信號(hào)（當(dāng)前位置／速度）的誤差，將此誤差控制為０，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的控制。是通過使用電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、編碼器構(gòu)成閉環(huán)控制，可以進(jìn)行高精度定位運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)。

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αSTEP AZ系列的構(gòu)造與ABZO編碼器

電動(dòng)機(jī)部分的構(gòu)造與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相同。作為最大的特征，在電動(dòng)機(jī)的反輸出軸側(cè)安裝了新開發(fā)的ABZO編碼器，無需電池構(gòu)筑了機(jī)械式絕對(duì)系統(tǒng)。

對(duì)于ABZO編碼器，將以模擬時(shí)鐘作為舉例說明。
模擬時(shí)鐘根據(jù)秒針、分針、時(shí)針的位置測(cè)定當(dāng)前時(shí)間。ABZO編碼器相當(dāng)于搭載了4個(gè)相當(dāng)于時(shí)鐘時(shí)針的齒輪，通過識(shí)別這4個(gè)齒輪的角度來檢測(cè)位置信息。
可根據(jù)作為基準(zhǔn)的原點(diǎn)，利用電動(dòng)機(jī)軸檢測(cè)±900 轉(zhuǎn)（1800次旋轉(zhuǎn)）? 的絕對(duì)位置。
?安裝尺寸20mm、28mm為±450轉(zhuǎn)（900次旋轉(zhuǎn)）。

ABZO編碼器的位置檢測(cè)原理和構(gòu)造的介紹。

ABZO編碼器是通過在電動(dòng)機(jī)軸上設(shè)置的磁石，并在其周圍設(shè)置帶有磁石的齒輪，依靠讀取磁場(chǎng)方向來檢測(cè)坐標(biāo)。
下圖是在電動(dòng)機(jī)軸上設(shè)置的磁石。磁石中心為2極磁石，外圈為多極。
讀取中心2極磁石的磁場(chǎng)可檢測(cè)出大致的朝向。同時(shí)讀取外圈多極磁場(chǎng)的相位組合，可精確算出位置坐標(biāo)。

中心的電動(dòng)機(jī)軸上設(shè)有1個(gè)齒輪（1st齒輪），與該齒輪相連的有2列齒輪。 第1列齒輪由二級(jí)齒輪構(gòu)成（1st/2nd 齒輪、2nd/3rd齒輪），第2列齒輪由一級(jí)齒輪構(gòu)成（1st/4th齒輪）。

以下是從初始狀態(tài)任意旋轉(zhuǎn)后計(jì)算坐標(biāo)的原理。
初始狀態(tài)時(shí)，全部箭頭指向左邊。

任意旋轉(zhuǎn)后可見箭頭指向不同的方向。

因?yàn)橄鄬?duì)的齒輪之間有齒數(shù)差，所以電動(dòng)機(jī)軸每旋轉(zhuǎn)一周相連的齒輪會(huì)發(fā)生相位變化。
利用齒數(shù)比產(chǎn)生的相位差，以齒為單位檢測(cè)出齒輪相位，并根據(jù)相位的組合可算出多次旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)。
按照設(shè)計(jì)所有齒輪的相位在旋轉(zhuǎn)1800圈后回到初始相位。
因此，ABZO編碼器可檢測(cè)范圍是1800圈。

αSTEP AZ系列的驅(qū)動(dòng)原理

下圖將對(duì)αSTEP的控制方式進(jìn)行介紹，是一種將開環(huán)控制和閉環(huán)控制混合而成的控制方式。
通過偏差計(jì)數(shù)器的計(jì)算可得知脈沖序列信號(hào)的指令位置與實(shí)際的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置的偏差量（延遲/過轉(zhuǎn)）。通過偏差計(jì)數(shù)器的計(jì)算結(jié)果判斷是否進(jìn)入“過載領(lǐng)域”，以轉(zhuǎn)換開環(huán)模式/閉環(huán)模式來運(yùn)行。通常情況下，以開環(huán)模式運(yùn)行。過載時(shí)，以閉環(huán)模式運(yùn)行。

●通常情況下為開環(huán)控制

●過載時(shí)切換為閉環(huán)控制

編碼器會(huì)持續(xù)監(jiān)控位置并在位置偏差超過±1.8°時(shí)切換到閉環(huán)模式。

αSTEP AZ系列的系統(tǒng)構(gòu)成示例

下圖為脈沖型驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)αSTEP　AZ系列時(shí)的系統(tǒng)構(gòu)成示例。
通常情況下，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需要驅(qū)動(dòng)器、控制器以及上位可編程控制器。由于αSTEP在電動(dòng)機(jī)的反輸出軸側(cè)內(nèi)藏編碼器，因此通過編碼器信息反饋給驅(qū)動(dòng)器，從轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置判斷過負(fù)載領(lǐng)域。在過載領(lǐng)域時(shí)，切換到閉環(huán)控制，根據(jù)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置，將定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)控制在最佳位置。
此外，即使發(fā)生過載等異常情況，也可以啟動(dòng)保護(hù)功能并輸出報(bào)警信號(hào)。

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