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步进电机

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  • 发布时间:2017/7/2 23:09:26
  • 作者:ly_yinhe
定义
步进电机是一种随电脉冲信号作步进增量运动的电动机,能将电脉冲信号转换成角位移或线位移。下面就对步进电机相关类型、技术原理、技术参数进行简单介绍。
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步进电机分类
  步进电动机分反应式(磁阻式)、永磁式和混合式三大类。

01反应式步进电动机(VR)

  三相反应式步进电动机结构示意图如图1所示。
三相反应式步进电动机结构示意图
图1:三相反应式步进电动机结构示意图
  定子六个磁极上绕有三相星形绕组,转子外圆周和磁极极靴上开有等齿距的小齿。转子齿数为20 个,每个磁极上有 3 个小齿,小齿相邻两相的两个磁极错开1 /3齿距(一般错开1 /m,m为相数)。由于是绕组轮流通电,所以当 A 相通电时,定转子之间的磁通以磁 阻最小取向,使转子齿(位置随机)与A相磁极小齿对齐。此时,B相磁极上小齿沿ABC方向超前转子齿错开1 /3齿距。A相断电、B相通电时,转子则沿ABC转过1 /3齿距。此时, C 相磁极上小齿又超前转子齿错开1 /3齿距。B相断电、C相通电时,转子则沿ABC方向又转过 1 /3 齿距。如此便随脉冲的A→B→C分配方式步进运动下去。脉冲通电有多种分配方式,步距角的大小可随脉冲分配方式不同而变化。实现这种分配的是一种环形脉冲分配器,绕组通断则由功率开关管实施。
  以上是三相反应式步进电动机的工作原理,多相反应式步进电动机的工作原理与三相反应式步进电动机基本一样。反应式步进电动机的优点是步距角小、步距精度高、起动频率高、负载能力强,可实现电气细分; 缺点是易振荡(需要加装阻尼器进行抑制)、驱动功率大、效率低。

02永磁式步进电动机(PM)

  两相永磁式步进电动机结构示意图如图2所示。
两相永磁式步进电动机结构示意图
图2:两相永磁式步进电动机结构示意图
  转子为两对极的“+”字形磁体(也可以为多对极的星形磁体),定子则相应为两相绕组 (也可为多相绕组)。
  当定子A相或B相单独通电时,转子转向A相或B相磁场轴线;当 A、B相同时通电时, 转子转向 A、B 相磁场合成轴线。当绕组按单四拍方式 A→B→(-A)→(-B)和双四拍方式 A、B →(B、-A)→(-A、-B )→(-B、A)通电时,步距角为45°;当绕组按八拍方式 A→A、B→B→(B、-A)→(-A)→(-A、-B)→(-B)→(-B、A)通电时,步距角为 22.5°。
  永磁式步进电动机的优点是驱动功率小、阻尼大、有断电自锁力矩,缺点是步距角大、起动频率低。

03混合式步进电动机(HB)

  混合式步进电动机综合了反应式步进电动机和永磁式步进电动机的特点,因而性能更好, 即同时具有步距角小、驱动功率小的优点。
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步进电机主要技术参数

01静力矩

  静力矩(保持力矩)是指在规定的通电方式下,绕组通入恒定直流电流,步进电动机锁定不崩溃的最大力矩。

02空载起动频率(空载响应范围)

  在此脉冲频率下,步进电动机能不失步空载起动、停止和正反转。

03最高运行频率

  最高运行频率是指步进电动机能保持不失步条件下运行的最高脉冲频率。

04步距角误差

  步距角误差是指每一步实际步距角与理论步距角之差(误差不累积)。测试时,可用增量编码器、光学分度头(用信号电机作角位移传感器)、工具显微镜测量。步距角误差对步进电动机非常重要。例如,用步进电动机驱动的打印机,如果步距角误差太大,打印出来的文案或图片就会不均匀。

05位置误差

  位置误差是指步进电动机完成一系列步进运动后, 实际位置相对理论位置之间的偏差。具体测试方法为:相对于起始点,一周内每一步所到位置角与理论位置角之差。例如,步进电动机步距角为1.5°,相对于起始点,第1步的位置角是1.5°,第2 步的位置角则是3°。位置误差一般不专门测试,它可用每步步距误差累积算出。因此,一些早期的专业书和专用技术条文中,也把位置误差称为累积误差。
  这就引起了一些混乱,常说步进电动机的优点之一是无累积误差,怎么这里又要测试累积误差了呢? 其实,这两者所指的内容不同。步进电动机无累积误差,是指步进电动机上述步距角误差和步进一周或数周相对起始位置无累积误差。步进电动机步进数步后,相对于起始位置还是有累积误差的,只是误差能不断自动补偿,不会无限累积下去,步进一周后,误差一定为零。所以,现行国家标准GB /T 2900.26—2008《电工术语 控制电机》要用“位置误差”定义这一误差,使得含义更准确,并与 “累积误差”区分开来。
  位置误差对步进电动机有普遍意义, 如用步进电动机驱动的灌装设备和物料计量设备, 常需要步进电动机按规定的步数和频率运行,如果位置误差太大,灌装和计量就不会准确。

06高低压供电

  高低压供电是指步进电动机绕组通电后, 先用高压强迫电流上升加快, 当电流上升到一定值时,再转换到低压供电, 由此提高步进电动机工作频率, 且绕组不需要串联加速电阻, 还可减小功耗。电流上升特性曲线如图3所示。
电流上升特性曲线
图3:电流上升特性曲线
  电流I达到 0.632U1 /R所需的时间,高压U2供电时为t2,低压U1供电时为τ。τ表示通电线圈的电气时间常数,定义为电流由零上升到63.2%稳态值所需的时间。无论是高压供电还是低压供电,τ是不变的。由图3可以很明显地看出,高压供电时电流上升速度比低压快。

07双电源供电

  双电源供电是指步进电动机在高频高速运行时用高压供电,在低频低速运行时改用低压供电。这样,可使步进电动机在高频段有较大出力,在静止锁定时功耗小。如果只采用单电源低压供电,则步进电动机在高频高速运行时,绕组反电动势增大,使得相电流减小、力矩减小。

08电气细分

  电气细分是指改变励磁绕组通电方式和电流相量的大小及方向,使合成磁轴偏转角减小(一个步距角,由整步分成数步步进)的方法。例如,三相步进电动机由单三拍运行改为双三拍运行,一种方法是改变其中一相电流大小,便可实现电气细分,简单、方便,但有滞后角变化的缺点,细分数不能太大;另一种方法是将矩形波电脉冲分解成阶梯波,用单片机产生的 PWM (脉宽调制)波进行幅值和脉宽调节,细分数大,且转矩恒定。其中,第二种是常用的方法。电气细分是步进电动机实现微步距的驱动方法,可消除低频振荡,使步进电动机运行更平稳。

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