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什么是步進(jìn)電機(jī)?步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)、分類和工作原理
01、什么是步進(jìn)電機(jī)?
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào),轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制電機(jī),又稱為脈沖電機(jī)。在非超載的情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化的影響。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí),它就可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度,稱為“步距角”。
步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的,可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的,同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率,來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)多用于數(shù)字式計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備,以及打印機(jī)、繪圖機(jī)和磁盤(pán)等裝。
02、步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn):
步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)的位置和速度信號(hào)不反饋給控制系統(tǒng),如果電機(jī)工作時(shí)的位置和速度信號(hào)反饋給控制系統(tǒng),那么它就屬于伺服電機(jī)。相對(duì)于伺服電機(jī),步進(jìn)電機(jī)的控制相對(duì)簡(jiǎn)單,但不適用于精度要求較高的場(chǎng)合。
步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都非常的突出,優(yōu)點(diǎn)集中于控制簡(jiǎn)單、精度高,缺點(diǎn)是噪聲、震動(dòng)和效率,它沒(méi)有累積誤差,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用維修方便,制造成本低。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載慣量的能力大,適用于中小型機(jī)床和速度精度要求不高的地方,缺點(diǎn)是效率較低、發(fā)熱大,有時(shí)會(huì)“失步”。優(yōu)缺點(diǎn)如下所示。
優(yōu)點(diǎn)
1. 電機(jī)操作易于通過(guò)脈沖信號(hào)輸入到電機(jī)進(jìn)行控制;
2. 不需要反饋電路以返回旋轉(zhuǎn)軸的位置和速度信息(開(kāi)環(huán)控制);
3. 由于沒(méi)有接觸電刷而實(shí)現(xiàn)了更大的可靠性。
缺點(diǎn)
1. 需要脈沖信號(hào)輸出電路;
2. 當(dāng)控制不適當(dāng)?shù)臅r(shí)候,可能會(huì)出現(xiàn)同步丟失;
3. 由于在旋轉(zhuǎn)軸停止后仍然存在電流而產(chǎn)生熱量。
03、步進(jìn)電機(jī)的分類:
在相同電流且相同轉(zhuǎn)矩輸出的條件下,單極型步進(jìn)電機(jī)比雙極型步進(jìn)電機(jī)多一倍的線圈,成本更高,控制電路的結(jié)構(gòu)也不一樣,目前市場(chǎng)上流行的大多是雙極型步進(jìn)電機(jī)。
反應(yīng)式
定子上有繞組,繞組由軟磁材料組成。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、步距角小,可達(dá)1.2度,但動(dòng)態(tài)性能差,效率低、發(fā)熱大,可靠性難以保證。
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、輸出力矩大,但這種電機(jī)度差,步距角大(一般為7.5度或15度)。
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),其定子上有很多相繞組,轉(zhuǎn)子上采用永磁材料,轉(zhuǎn)子和定子均有多個(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)按照定子上繞組來(lái)分類,共有二相、三相和五相等系列。目前*受歡迎的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī),約占97%以上的市場(chǎng)份額,其原因是性價(jià)比高,配上細(xì)分驅(qū)動(dòng)器后效果良好。
該種電機(jī)的基本步距角為1.8度/步,配上半步驅(qū)動(dòng)器后,步距角減少為0.9度,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度/微步)。由于摩檫力和制造精度等原因,實(shí)際控制精度略低。同一步進(jìn)電機(jī)可配不同細(xì)分的驅(qū)動(dòng)器以改變精度的效果。
04、步進(jìn)電機(jī)的工作原理:
步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制,每輸入一個(gè)脈沖信號(hào),步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)一步。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的步距角,是在電機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上等比例控制產(chǎn)生的,如果控制電路的細(xì)分控制不變,那么步進(jìn)旋轉(zhuǎn)的步距角在理論上是一個(gè)固定的角度。在實(shí)際工作中,電機(jī)旋轉(zhuǎn)的步距角會(huì)有微小的差別,主要是由于電機(jī)結(jié)構(gòu)上的固定有誤差產(chǎn)生的,而且這種誤差不會(huì)積累。
步進(jìn)電機(jī)的相電流及磁場(chǎng),遵循安培右手螺旋定律,由電能產(chǎn)生磁場(chǎng)能量,控制電機(jī)相電流,就能使電機(jī)定子的磁極方向發(fā)生反轉(zhuǎn),二相磁場(chǎng)的變化相配合,進(jìn)而產(chǎn)生電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。
如果電流方向發(fā)生變化,磁極的方向也會(huì)發(fā)生變化,步進(jìn)電機(jī)的電流流過(guò)定子產(chǎn)生磁場(chǎng)的過(guò)程叫做勵(lì)磁。
通常所說(shuō)的二相步進(jìn)電機(jī),電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn),包含不同磁極的磁場(chǎng)相斥和相吸實(shí)現(xiàn)的。如上圖所示,A相產(chǎn)生N極磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子的S極,B相產(chǎn)生S極磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子的N極,使定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。如果改變A、B相定子線圈的電流方向,電機(jī)會(huì)產(chǎn)生另一步的旋轉(zhuǎn)。連續(xù)改變A、B相定子線圈的電流方向,電機(jī)會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。
如上圖所示,電機(jī)的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)改變電流在電機(jī)中的流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,電子轉(zhuǎn)子排斥B相磁極的定子,吸引A相磁極的定子,這就產(chǎn)生了另一個(gè)步進(jìn)操作。
如上圖所示,定子線圈中的電流方向無(wú)論何時(shí)發(fā)生變化,磁極將會(huì)反轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子重復(fù)步進(jìn)操作。東芝步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路對(duì)電機(jī)的磁場(chǎng)勵(lì)磁的控制,是通過(guò)脈寬調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)的,能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)高效、穩(wěn)定的運(yùn)行。