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步进电动机
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步进电动机简介
 
步进电动机是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机,这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步,所以又称脉冲电动机。
 
步进电动机(stepping motor)把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的微特电机。在自动控制装置中作为执行元件。每输入一个脉冲信号,步进电动机前进一步,故又称脉冲电动机。步进电动机多用于数字式计算机的外部设备,以及打印机、绘图机和磁盘等装置。
 
步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成,由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。
 
步进电机的优点是没有累积误差,结构简单,使用维修方便,制造成本低,步进电动机带动负载惯量的能力大,适用于中小型机床和速度精度要求不高的地方,缺点是效率较低,发热大,有时会“失步”。
 
步进电动机分类
 
步进电动机分为机电式、磁电式及直线式三种基本类型。
 
机电式步进电动机
 
机电式步进电动机由铁心、线圈、齿轮机构等组成。螺线管线圈通电时将产生磁力,推动其铁心心子运动,通过齿轮机构使输出轴转动一角度,通过抗旋转齿轮使输出转轴保持在新的工作位置;线圈再通电,转轴又转动一角度,依次进行步进运动。
 
磁电式步进电动机
 
磁电式步进电动机 其结构简单, 可靠性高, 价格低廉, 应用广泛。 主要有永磁式、 磁阻式和混合式。 [2]  (1)永磁式步进电动机。
 
其转子有永磁体的磁极,在气隙中产生极性交替磁场,定子由四相绕组组成(见图)。当A相绕组通电时,转子将转向该相绕组所确定的磁场方向。当A相断电、B相绕组被通电励磁时,就产生一个新的磁场方向,这时,转子就转动一角度而位于新的磁场方向上,被励磁相的顺序决定了转子转动方向。若定子励磁的变化太快,转子将不能和定子磁场方向的变化保持一致,转子即失步。起动频率和运行频率较低,是永磁式步进电动机的一个缺点。但永磁式步进电动机消耗功率较小,效率较高。20世纪80年代初,出现了转子是盘式的永磁盘式步进电动机,使步距角及工作频率达到磁阻式步进电动机的水平。
 
(2)磁阻式步进电动机。其定、转子铁芯的内外表面上设有按一定规律分布的相近齿槽,利用定、转子铁芯齿槽相对位置变化引起磁路磁阻的变化,从而产生转矩。其转子铁芯由硅钢片或软磁材料做成,当定子某相被励磁时,转子将转到使磁路磁阻最小的位置。当另一相被励磁,转子转到另一位置,使磁路磁阻为最小时,电动机就停止转动。这时,转子转过一个步距角θb,即式中N为转子转过一个齿距的运行拍数;ZR为转子齿数。
 
磁阻式步进电动机结构形式较多。定子铁芯有单段式、多段式;磁路有径向、轴向;绕组相数有三相、四相、五相。磁阻式步进电动机步距角可做到1°~15°,甚至更小,精度容易保证,起动与运行频率较高,但功耗较大,效率较低。
 
(3)混合式步进电动机。它的定、转子铁芯结构与磁阻式步进电动机相似。转子有永磁体在气隙中产生单极性磁场,此磁场还被转子上软磁材料的齿槽调制。
 
混合式步进电动机兼有永磁式步进电动机与磁阻式步进电动机两者的优点,电动机步距角小,精度高,工作频率高,且功耗小,效率高。
 
直线式步进电动机
 
有反应式和索耶式两类。索耶式直线步进电动机由静止部分(称为反应板)和移动部分(称动子)组成。反应板由软磁材料制成,在它上面均匀地开有齿和槽。电机的动子由永久磁铁和两个带线圈的磁极A和B组成。动子是由气垫支承,以消除在移动时的机械摩擦,使电机运行平稳并提高定位精度。这种电机的最高移动速度可达1.5米/秒,加速度可达2g,定位精度可达20多微米。由两台索耶式直线步进电动机相互垂直组装就构成平面电动机。给x方向和y方向两台电机(图3)以不同组合的控制电流,就可以使电机在平面内做任意几何轨迹的运动。大型自动绘图机就是把计算机和平面电动机组合在一起的新型设备。平面电动机也可用于激光剪裁系统,其控制精度和分辨力可达几十微米。
 
步进电动机原理
 
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
 
虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机,交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
 
如今,生产步进电机的厂家的确不少,但具有专业技术人员,能够自行开发,研制的厂家却非常少,大部分的厂家只一、二十人,连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。鉴于上述情况,我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。
 
反应式步进电机
 
由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。
 
1、结构: 电机转子均匀分布着很多小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3て、2/3て,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示),即A与齿1相对齐,B与齿2向右错开1/3て,C与齿3向右错开2/3て,A'与齿5相对齐,(A'就是A,齿5就是齿1)下面是定转子的展开图:
 
2、旋转: 如A相通电,B,C相不通电时,由于磁场作用,齿1与A对齐,(转子不受任何力以下均同)。 如B相通电,A,C相不通电时,齿2应与B对齐,此时转子向右移过1/3て,此时齿3与C偏移为1/3て,齿4与A偏移(て-1/3て)=2/3て。 如C相通电,A,B相不通电,齿3应与C对齐,此时转子又向右移过1/3て,此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电,B,C相不通电,齿4与A对齐,转子又向右移过1/3て 这样经过A、B、C、A分别通电状态,齿4(即齿1前一齿)移到A相,电机转子向右转过一个齿距,如果不断地按A,B,C,A……通电,电机就每步(每脉冲)1/3て,向右旋转。如按A,C,B,A……通电,电机就反转。 由此可见:电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过,出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态,这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合,使其1/3て变为1/12て,1/24て,这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出:电机定子上有m相励磁绕阻,其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机,出于成本等多方面考虑,市场上一般以二、三、四、五相为多。
 
3、力矩: 电机一旦通电,在定转子间将产生磁场(磁通量Ф)当转子与定子错开一定角度产生力 F与(dФ/dθ)成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br为磁密,S为导磁面积 F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度,D为转子直径 Br=N·I/R N·I为励磁绕阻安匝数(电流乘匝数)R为磁阻。 力矩=力*半径 力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比(只考虑线性状态) 因此,电机有效体积越大,励磁安匝数越大,定转子间气隙越小,电机力矩越大,反之亦然。
 
感应子式步进电机
 
1、特点:

感应子式与传统的反应式相比,结构上转子加有永磁体,以提供软磁材料的工作点,而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能,因此该电机效率高,电流小,发热低。因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 感应子式某种程度上可以看作是低速同步的电机。一个四相电机可以作四相运行,也可以作二相运行。(必须采用双极电压驱动),而反应式电机则不能如此。例如:四相,八相运行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=,D=. 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致,小功率电机一般直接接为二相,而功率大一点的电机,为了方便使用,灵活改变电机的动态特点,往往将其外部接线为八根引线(四相),这样使用时,既可以作四相电机使用,可以作二相电机绕组串联或并联使用。
 
2、分类
 
感应子式电机以相数可分为:二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号(电机外径)可分为:42BYG(BYG为感应子式步进电机代号)、57BYG、86BYG、110BYG、(国际标准),而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。

3、步进电机的静态指标术语 相数:

产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。 拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示,或指电机转过一个齿距角所需脉冲数,以四相电机为例,有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角:对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度(转子齿数J*运行拍数),以常规二、四相,转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/(50*4)=1.8度(俗称整步),八拍运行时步距角为θ=360度/(50*8)=0.9度(俗称半步)。 定位转矩:电机在不通电状态下,电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的) 静转矩:电机在额定静态电作用下,电机不作旋转运动时,电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积(几何尺寸)的标准,与驱动电压及驱动电源等无关。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比,与定齿转子间的气隙有关,但过分采用减小气隙,增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的,这样会造成电机的发热及机械噪音。
 
步进电动机测速方法
 
步进电动机是将脉冲信号转换为角位移或线位移。
 
一是过载性好。其转速不受负载大小的影响,不像普通电机,当负载加大时就会出现速度下降的情况,步进电机使用时对速度和位置都有严格要求。
 
二是控制方便。步进电机是以“步”为单位旋转的,数字特征比较明显。
 
三是整机结构简单。传统的机械速度和位置控制结构比较复杂,调整困难,使用步进电动机后,使得整机的结构变得简单和紧凑。 测速电机是将转速转换成电压,并传递到输入端作为反馈信号。测速电机为一种辅助型电机,在普通直流电机的尾端安装测速电机,通过测速电机所产生的电压反馈给直流电源,来达到控制直流电机转速的目的。
 
步进电动机应用
 
主要用于数字控制系统中,精度高,运行可靠。如采用位置检测和速度反馈,亦可实现闭环控制。步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中,如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中,另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用。
 

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