什么是步进电机?步进电机的基本参数、结构及其原理,步进电机的特点特性

2019-05-23 11:49

  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。

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  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。

  步进电机的结构及其原理

  步进电机是一种同步电机,其结构同其它电机一样,由定子和转子组成,定子为激磁场,其激磁磁场为脉冲式,即磁场以一定频率步进式旋转,转子则随磁场一步一步前进。步进电机主要有 反应式、电磁式、永磁式几种。下面以反应式步进电机为例,来讨论其工作原理:

  步进电机由转子和定子两部分组成。转子和定子均由带齿的硅钢片叠成。定子上有绕组分为若干相,每相磁极上有极齿。当某相定子绕组通以直流电压激磁后,便吸引转子,使转子上的齿与该相定子的齿对齐,令转子转动一定的角度,依次向定子绕组轮流激磁,会使转子连续旋转。

  步进电机的定子可以做成三、四、五、六相甚至于做成八相,各相绕组可在定子上径向排列,也可在定子的轴向上分段排列。

  下面的FLASH为步进电机的工作原理动画演示,所选示例为单定子径向分相式反应步进电机的断面图。转子上有均匀分布的40个齿,没有绕组。A、B、C 三相定子每相两极,每极上有5个齿,与转子一样齿间夹角均为9。如果A 相通电则转子齿与A 相极齿对齐,这时在B 相两极下定子齿与转子齿中心线并不对齐,而是转子齿中心线较定子齿中心线反时针方向落后1/3齿距,即3。C 相下,转子齿超前6。因此,当通电状态由A 相变为B 相时,转子顺时针方向转过3,C 相通电再转3。步距角为

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  双拍通电激磁,即按A-AB-B-BC-C-CA-A的顺序通电激磁,则步距角为

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  一般而言

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  式中:m绕组相数;

  z转子齿数,单拍通电kp=1,双拍通电kp=2。如果按上述相反的方向通电,则步进电机将反时针方向旋转。

  图1所示为五相五定子轴向分相反应式步进电机。定子和转子都分为5段,呈轴向布置。其上均有16个齿,故齿距为22.5,各相定子彼此径向错开1/5个齿的齿距(也可以由五段转子彼此径向错开1/5齿距)。如果按A-B-C-D-E-A的五相五拍通电,步距角为

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  如果按AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB的十拍通电,则步距角为2.25。

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  图2(a)为160BF02型六相功率步进电机,电机的转子有40个齿,不分段由硅钢片叠成。步距角可以是1.5或0.75。电机的定子如图(b)所示由硅钢片叠成分为三段,每段有8个磁极,单数极属于同一相,双数极属于另一相,极齿的齿夹角也是360/40=9,每段上的两相磁极的极齿彼此便错开4.5。三段定子装入机壳内时,三段上的记号槽相互径向错开120,因而三段上三个均布键槽对齐,在键槽中用键固定。这样装配后,段与段之间的极齿便错开1.5,如果第一段的两相为A、D相,则第二段为B、E相,第三段为C、F相。功率步进电机的输出转矩大,绕组上的电流大。结构上采用径向与轴向分相相结合的形式,径向尺寸小,惯性小,散热好,而且没有磁漏。

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  步进电机的基本参数

  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。

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  步进电机的特点特性

  (1)即使是同一台步进电机,在使用不同驱动方案时,其矩频特性也相差很大。

  (2)步进电机在工作时,脉冲信号按一定顺序轮流加到各相绕组上(由驱动器内的环形分配器控制绕组通断电的方式)。

  (3)步进电机与其它电动机不同,其标称额定电压和额定电流只是参考值;又因为步进电机是以脉冲方式供电,电源电压是其最高电压,而不是平均电压,所以,步进电机可以超出其额定值范围工作。但选择时不应偏离额定值太远。

  (4)步进电机没有积累误差:一般步进电机的精度为实际步距角的百分之三到五,且不累积。

  (5)步进电机外表允许的最高温度:步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上,有的甚至高达摄氏200度以上,所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

  (6)步进电机的力矩会随转速的升高而下降:当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。

  (7)步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定频率就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数:空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)

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  (8)混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围(比如IM483的供电电压为12~48VDC),电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快,那么电压取值也高,但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压,否则可能损坏驱动器。

  (9)供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源,电源电流一般可取I的1.1~1.3倍;如果采用开关电源,电源电流一般可取I的1.5~2.0倍。

  (10)当脱机信号FREE为低电平时,驱动器输出到电机的电流被切断,电机转子处于自由状态(脱机状态)。在有些自动化设备中,如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴(手动方式),就可以将FREE信号置低,使电机脱机,进行手动操作或调节。手动完成后,再将FREE信号置高,以继续自动控制。

  (11)用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向,只需将电机与驱动器接线的A+和A-(或者B+和B-)对调即可。

  (12)四相混合式步进电机一般由两相步进驱动器来驱动,因此,连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较低的场合使用,此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍,因而电机发热小;并联接法一般在电机转速较高的场合使用(又称高速接法),所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍,因而步进电机发热较大。

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