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步進電機的基本原理

發布日期:2016-04-10  瀏覽次數:502
步進電機作為執行元件,是機電一體化的關鍵產品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展,步進電機的需求量與日俱增,在各個國民經濟領域都有應用。
步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號,它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”),它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量,從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度,從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機,利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點,廣泛應用于各種開環控制。
 現在比較常用的步進電機包括反應式步進電機(VR)、永磁式步進電機(PM)、混合式步進電機(HB)和單相式步進電機等。
        永磁式步進電機一般為兩相,轉矩和體積較小,步進角一般為7.5度 或15度;
反應式步進電機一般為三相,可實現大轉矩輸出,步進角一般為1.5度,但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成,定子上有多相勵磁繞組,利用磁導的變化產生轉矩。
    混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相和五相:兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛,也是本次細分驅動方案所選用的步進電機。
  步進電機的一些基本參數:
     電機固有步距角:  
    它表示控制系統每發一個步進脈沖信號,電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值,如86BYG250A型電機給出的值為0.9°/1.8°(表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°),這個步距角可以稱之為‘電機固有步距角’,它不一定是電機實際工作時的真正步距角,真正的步距角和驅動器有關。
    步進電機的相數: 
    是指電機內部的線圈組數,目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數不同,其步距角也不同,一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細分驅動器時,用戶主要靠選擇不同相數的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器,則‘相數’將變得沒有意義,用戶只需在驅動器上改變細分數,就可以改變步距角。
 保持轉矩(HOLDING  TORQUE):
     是指步進電機通電但沒有轉動時,定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數之一,通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減,輸出功率也隨速度的增大而變化,所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數之一。比如,當人們說2N.m的步進電機,在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進電機。
 DETENT  TORQUE:
是指步進電機沒有通電的情況下,定子鎖住轉子的力矩。DETENT  TORQUE  在國內沒有統一的翻譯方式,容易使大家產生誤解;由于反應式步進電機的轉子不是永磁材料,所以它沒有DETENT TORQUE。
  步進電機的一些特點:
1.一般步進電機的精度為步進角的3-5%,且不累積。
 2.步進電機外表允許的最高溫度。
   步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁,從而導致力矩下降乃至于失步,因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點;一般來講,磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上,有的甚至高達攝氏200度以上,所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
3.步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。
           當步進電機轉動時,電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢;頻率越高,反向電動勢越大。在它的作用下,電機隨頻率(或速度)的增大而相電流減小,從而導致力矩下降。
4.步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。
       步進電機有一個技術參數:空載啟動頻率,即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率,如果脈沖頻率高于該值,電機不能正常啟動,可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下,啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動,脈沖頻率應該有加速過程,即啟動頻率較低,然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機轉速從低速升到高速)。
       步進電動機以其顯著的特點,在數字化制造時代發揮著重大的用途。伴隨著不同的數字化技術的發展以及步進電機本身技術的提高,步進電機將會在更多的領域得到應用。

 

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