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步进电动机的结构原理与特征

2018-08-03 10:16:38 阅读()

  步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数一模转换元件。每当输入一个脉冲,它就相应地运行一步,步进电动机也由此而得名。
  步进电动机的运行是在专用的脉冲电源供电下进行的,其转子走过的步数,或者说转子的角位移量,与输入脉冲数严格成正比。尽管每走一步的步距角存在一定的误差,然而,连续旋转一周360°后,其累积误差为零。另外,步进电动机动态响应快,控制性能好,只要改变输入脉冲的顺序,就能方便地改变其旋转方向。这些特点使得步进电动机与其他电动机有很大的差别。因此,在庞大的电动机家族中,尽管它仅仅是一个很小的机种,但是仍然占据一定的位置。
  步进电动机的上述特点,使得由它和驱动控制器组成的开环数控系统,既具有较高的控制精度和良好的控制性能,又能稳定可靠地工作。因此,在数字控制系统出现之初,步进电动机经历过一个大的发展阶段。
  在日本 20世纪60年代初期,开发了用于数控装置及计算机外部设备的磁阻式步进电动机。60年代中期至今,开发了混合式步进电动机。
  在我国,步进电动机的研制始于1958年。当时只有清华大学、华中科技大学等少数高等院校在从事这项工作。到了20世纪60年代末70年代初,由于电子工业和数字控制技术的发展,特别是数字控制线切割机床发展的需要,才使步进电动机的研究工作蓬勃开展起来。经过近半个世纪的发展,步进电动机理论日臻完善,磁阻式步进电动机的产品品种、规格、门类日益系列化,出现了像无刷直流电动机系统那种更优越的伺服系统,目前其发展正趋于平缓。步进电动机的种类很多,按其工作原理可分为三大类:①磁阻式VR(Variable Reluctance)型;②永磁式PM(Pennanent Magnet)型;③混合式HB(Hybrid)型。 由于这三种类型步进电动机的结构及作用原理各不相同,因此其市场的应用以及发展的情况也各不相同。但不管如何发展,总离不开“轻、薄、短、小、高效率、低振动、低噪声、低价格”这一微特电机发展的永恒主题。
  1、工作原理 
  一、步进电动机的构造(以5相步进为例)
  步进电动机的结构示意图如图2-35所示。步进电动机构造上大致分为定子与转子两部分。转子由转子1、转子2、永久磁钢等三部分构成。而且转 子朝轴方向已经磁化,转子1为N极时,转子2则为S极。定子拥有小齿状的磁极,共有10个,皆绕有线圈。其线圈对角位置的磁极相互连接,电流流通后,线圈即会被磁化成同一极性,即某一线圈经由电流流通后,对角线的磁极将同化成S极或N极。对角线的2个磁极形转轴成1个相,而由于有A相至E相等5个相位,因此称为5相步进电动机。
  转子的外圈由50个小齿构成。转子1和转子2的小齿在构造上互相错开1/2螺距,由此转子形成了100个小齿。目前已经有转子单个加工至100齿的高分辨率型,其转子就有200个小齿。因此其机械上就可以实现普通步进电动机半步(普通步进电动机半步需要电气细分达到)的分辨率。
  二、步进电动机的运转原理
  首先解释步进电动机的励磁,励磁就是指电动机线圈通电时的状态。
  (一) A相励磁
  将A相励磁,会使得磁极磁化成S极,而其将与带有N极磁性的转子l的小齿互相吸引,并与带有S极磁性的转子2的小齿相斥,于平衡后停止。此时,没有励磁的B相磁极的小齿和带有S极磁性的转子2的小齿互相偏离0.72°。图2 - 36所示为A相励磁时步进电动机的定子和转子小齿的位置。 
(二) B相励磁
  由A相励磁转为B相励磁时,B相磁极磁化成N极,与拥有S极磁性的转子2互相吸引,而与拥有N极磁性的转子1相斥。图2 - 37所示为B相励磁时步进电动机定子和转子小齿的位置。
  也就是说,从A相励磁转换至B相励磁时,转子转动0.72°。由此可知,励磁相位随A相→B相→C相→D相→E相→A相依次转换,则步进电动机以每次0.72°作正向转动。同样的,希望作反方向转动时,只需将励磁顺序倒转,依照 A相→E相→D相→C相→B相→A相励磁即可。 
  0.72°的高分辨率取决于定子和转子构造上的机械偏移量,所以不需要编码 器等传感器即可正确的定位。下面就5相步进每次的位移量是0.72°进行更详细的说明。
  由于第一组定子正好与转子相对应吸引,势必会导致第二组定子与对应的转子相偏离(定子与转子齿距一样,但是各自所在的2个圆不一样大〉。而这个偏离值正好是齿距的1/10,如图2 - 38所示。因此普通5相步进的步距角为360° /50齿/10=0.72。 高分辨率5相步进的步距角为360°/100齿/10=0.36。 
  另外,就停止精度而言,影响因素只有定子与转子的加工精度、组装精度、及线圈的直流电阻等,因此可获得士3’(元负载时)的高停止精度。实际上步进电动机是由驱动器来进行励磁相的转换,而励磁相的转换时机则由输入驱动器的脉冲信号所控制。以上举的是1相位励磁的例子,实际运转时,为有效利用线圈,可同时进行4相或5相励磁。
  2、步进电动机的特征 
  一、运转需要的三要素
  步进电动机正常运转时,必须需要控制器、驱动器和步进电动机,这就是步进电动机运转的三要素。步进电动机运行系统示意图如图2-39所示。控制器、驱动器和步进电动机是步进电动机运转必不可少的三部分。控制器又叫脉冲产生器,目前常用的主要有PLC、单片机、运动板卡等。
  二、运转量与脉冲数的比例关系
  步进电动机运转角度与外加脉冲数有关,其关系表达式为
  三、运转速度与脉冲速度的比例关系
  步进电动机的运转速度与脉冲频率之间的关系为
  四、本身具有保持力
  步进电动机只有在通电状况下才具备自我保持力;在停电状况下,自我保持力消失。因此在升降设备传动时,务必使用附电磁刹车型步进电动机。
  虽然步进电动机已被广泛地应用,但其并不能像普通的直流电动机、交流电动机在常规下就能使用,它必须由脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电动机并非易事,它涉及机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
 

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