步進(jìn)電機(jī)的工作原理

  步進(jìn)電機(jī)又稱為電脈沖馬達(dá)、脈沖電機(jī)等,是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。其特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)繞組接受一個(gè)電脈沖,轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及其額率成正比,并在時(shí)間上與輸入脈沖同步，只要控制輸人電脈沖的數(shù)量、頻率以及電動(dòng)機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向,很容易用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。

  一、步進(jìn)電機(jī)的分類

  步進(jìn)電機(jī)按其結(jié)構(gòu)和工作原理,一般可分為反應(yīng)式(磁阻式)步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī),這幾種結(jié)構(gòu)在性能上各有特點(diǎn)。

  (①)反應(yīng)式:定子上有繞組,轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、步距角小(可達(dá)1.2).但動(dòng)態(tài)性能差、效率低.發(fā)熱大,可靠性難以保證。

  (2)永磁式:永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成:轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同.其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、輸出力知大.但這種電機(jī)精度差,步距角大(一般為7.5°或15°)

  (3)混合式:混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn),其定子上有多相繞組:轉(zhuǎn)子上采用永磁材料,轉(zhuǎn)子和定子上均有多個(gè)小齒以提高步距精度。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好,步距角小,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對(duì)較高。

  步進(jìn)電機(jī)若按定子上繞組相數(shù)來(lái)分,共有兩相、三相、四相和五相等系列。目前應(yīng)用最為廣泛的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī),占有絕大部分的市場(chǎng)份額,其優(yōu)點(diǎn)是性價(jià)比高。該種電機(jī)的基本步距角為1.8°，但同一步進(jìn)電機(jī)可通過配不同細(xì)分的驅(qū)動(dòng)器以改變精度和效果。配上半步驅(qū)動(dòng)器后,步距角減少為0.9°，配上細(xì)分驅(qū)動(dòng)器后其步距角可細(xì)分達(dá)256倍(0.007°)。步距角越小,控制精度越高。

  二、步進(jìn)電機(jī)的工作原理

  無(wú)論是哪種結(jié)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī),其基本工作原理是一樣的,數(shù)字控制開環(huán)伺服系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理示意圖如圖28所示

  首先來(lái)介紹如下幾個(gè)概念。

  單:每次切換前后只有一相繞組通電。

  雙:每次切換前后有兩相繞組通電。

  拍:從一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種通電狀態(tài)。

  三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的通電方式一般有單三拍、單六拍及雙三拍等幾種

  1.三相單三拍運(yùn)行方式(單拍方式)

  每次只有一相繞組通電,使步進(jìn)電機(jī)按順時(shí)針或逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),這種控制方式稱為單相控制方式。對(duì)三相電動(dòng)機(jī)又稱為單三拍控制方式,其繞組的通電按A一B一C一A的順序進(jìn)行,其繞組電流波形如圖29所示。

  2.三相雙三拍運(yùn)行方式(雙拍方式)

  三相雙三拍運(yùn)行方式T作比較穩(wěn)定,共繞組通電順序?yàn)锳B一BC一CA一AB,功耗比單拍方式相比增大近一倍,其繞組電流彼形如圖30所示

  3.三相六拍運(yùn)行方式(單一雙拍方式)

  三相六拍運(yùn)行方式的繞組通電按A→AB→B一BCC→CA一A的順序進(jìn)行,其繞組電流波形如圖31所示。

  步進(jìn)電機(jī)三相六拍運(yùn)行方式的繞組通電順序每切換一次步進(jìn)電動(dòng)機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)16",其運(yùn)行原理圖如圖32所示。

  圖32步進(jìn)電機(jī)三相六拍運(yùn)行時(shí)原理圖

  4.步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算

  三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖33所示。

  圖 33三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

  1一定子;2一轉(zhuǎn)子;3一定子繞組

  設(shè)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為Z,則齒距為=360°/Z。每通電一次,轉(zhuǎn)子就走一步,故步距角為

  式中,m為相數(shù);K為狀態(tài)系數(shù),單拍時(shí)K=1.雙拍時(shí)K=2。

  若步進(jìn)電機(jī)的齒數(shù)Z一40,若按三相單三拍運(yùn)行時(shí),其步距角為3;若按三相六拍運(yùn)行時(shí),步距角為1.5° 。

  由此可見,步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z和定子相數(shù)m愈多,則步距角愈小,控制越精確。如果電脈沖的頻率(電源頻率)為f,單位為PPS(每秒脈沖數(shù)),則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速n為

  可見,反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速只取決于脈沖頻率.轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù),而與電壓、負(fù)載、溫變等因素?zé)o關(guān)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的通電方式選定后,其轉(zhuǎn)速只與輸人脈沖頻率成正比:改變脈沖顧率就可以改變轉(zhuǎn)速,故可進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速,調(diào)速范圍寬。

  綜上所述,步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)的步數(shù)或轉(zhuǎn)速既不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響,也不受環(huán)條件(溫度、壓力、沖擊和振動(dòng)等)變化的影響,只與控制脈沖同步。能按照控制的要求進(jìn)行起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)和改變速度。因此被廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)字控制系統(tǒng)中。