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步进电机原理

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发表于 2018-6-11 15:35:01 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 请叫我小子 于 2018-6-11 16:50 编辑

           步进电机原理
   步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单。
一、步进电机的构造(以5相步进为例)
    步进电机的构造主要采用图示的方式进行讲解:
    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3部分构成。而且转子朝轴方向已经磁化,转子1N极时,转子2则为S极。
截图201806111530407938.png
    定子拥有小齿状的磁极,共有10个,皆绕有线圈。其线圈的对角位置的磁极相互连接着,电流流通后,线圈即会被磁化成同一极性。(例如某一线圈经由电流的流通后,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。
截图201806111531092137.png
                 系统构成图示
截图201806111531292393.png
   转子的外圈由50个小齿构成,转子1和转子2的小齿于构造上互相错开1/2齿。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,那么高分辨率型的转子就有200个小齿。因此其机械上就可以实现普通步进电机半步(普通步进电机半步需要电气细分达到)的分辨率。
截图201806111531512653.png
                  电动机构造图2∶与转轴成垂直方向的断面图
二、步进电机的运转原理。
    实际上经过磁化后的转子及定子的小齿的位置关系,在此说明如下。 首先解释励磁,励磁就是指电动机线圈通电时的状态。
●    A相励磁
    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1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°。以上是A相励磁时的定子和转子小齿的位置关系。
截图201806111532164468.png
●     B相励磁
    其次由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。
截图201806111532434512.png
    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→B→C→ D→ E→ A相依次转换,则步进电动机以每次0.72°做正确的转动。同样的,希望作反方向转动时,只需将励磁顺序倒转,依照A→ E→ D→ C→ B→ A相励磁即可。
0.72°的高分辨率,是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。下图就5相步进每次的位移量是0.72°进行更详细的说明:
截图201806111533059614.png
    由于第一组定子正好与转子相对应吸引。就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十分之一。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,会影响的只有定子与转子的加工精度、组装精度及线圈的直流电阻的不同等而已,因此可获得±3 分(无负载时)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是由输入驱动器的脉冲信号所进行。以上举的是 1相位励磁的例子,实际运转时,为有效利用线圈同时进行4相或5相励磁的。
三、步进电动机的特征
1、运转需要的三要素:控制器、驱动器、步进电动机
截图201806111533232478.png
    以上三部分是步进电机运转必不可少的三部分。控制器又叫脉冲产生器,目前主要有PLC、单片机、运动板卡等等。
2、运转量与脉冲数的比例关系
截图201806111534063845.png
3、运转速度与脉冲速度的比例关系
截图201806111534334021.png
4、本身具有保持力
    步进电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机。
四、结束语
    虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能像普通的直流电机、交流电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。因此用好步进电机并非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。但是万丈高楼平地起,从步进电机的基础开始学习,无疑会为将来的应用打好扎实的基础。

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发表于 2018-6-11 21:02:23 | 显示全部楼层
非常好的一课!详细又形象!受教了!!
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发表于 2018-6-12 08:18:20 | 显示全部楼层
感谢楼主的无私分享!要想我的机械网好 就靠你我他
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发表于 前天 21:08 | 显示全部楼层
d414162
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