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步进电机的基本原理

步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。

永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度 或15度;反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛,也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。

步进电机的一些基本参数:

电机固有步距角:

它表示控制系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°(表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°),这个步距角可以称之为“电机固有步距角”,它不一定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱动器有关。

步进电机的相数:

是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器,则‘相数’将变得没有意义,用户只需在驱动器上改变细分数,就可以改变步距角。

保持转矩(HOLDING TORQUE):

是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如,当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

DETENT TORQUE:

是指步进电机没有通电的情况下,定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式,容易使大家产生误解;由于反应式步进电机的转子不是永磁材料,所以它没有DETENT TORQUE。

步进电机的特征

高精度的定位:

步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制。以5相步进电机为例:其定位基本单位(分辨率)为0.72°(全步级)/0.36°(半步级),是非常小的;停止定位精度误差皆在±3分(±0.05°)以内,且无累计误差,故可达到高精度的定位控制。(步进电机的定位精度是取决于电机本身的机械加工精度)

位置及速度控制:

步进电机在输入脉冲信号时,可以依输入的脉冲数做固定角度的回转进而得到灵活的角度控制(位置控制),并可得到与该脉冲信号周波数(频率)成比例的回转速度。

具定位保持力:

步进电机在停止状态下(无脉波信号输入时),仍具有激磁保持力,故即使不依靠机械式的剎车,也能做到停止位置的保持。

动作灵敏:

步进电机因为加速性能优越,所以可做到瞬时起动、停止、正反转之快速、频繁的定位动作。

开回路控制、不必依赖传感器定位:

步进电机的控制系统构成简单,不需要速度感应器(ENCODER、转速发电机)及位置传感器(SENSOR),就能以输入的脉波做速度及位置的控制。也因其属开回路控制,故最适合于短距离、高频度、高精度之定位控制的场合下使用。

中低速时具备高转矩:

步进电机在中低速时具有较大的转矩,故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。

高信赖性:

使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较,步进电机的故障及误动作少,所以在检查及保养时也较简单容易。

小型、高功率:

步进电机体积小、扭力大,尽管于狭窄的空间内,仍可顺利做安装,并提供高转矩输出。

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