步进电机详细介绍_物理_自然科学_专业资料。步进电机 步进电动机就是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移得机电元件。步进 电动机得输入量就是脉冲序列,输出量则为相应得增量位移或步进运动。正常运 动情况下,它每转一周具有固定得步数;做连续步进运动

　　步进电机 步进电动机就是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移得机电元件。步进 电动机得输入量就是脉冲序列,输出量则为相应得增量位移或步进运动。正常运 动情况下,它每转一周具有固定得步数;做连续步进运动时,其旋转转速与输入脉 冲得频率保持严格得对应关系,不受电压波动与负载变化得影响。由于步进电动 机能直接接受数字量得控制,所以特别适宜采用微机进行控制。 (一)步进电机得种类 目前常用得有三种步进电动机: (1)反应式步进电动机(VR)。混合式步进电机反应式步进电动机结构简单,生产成本低,步距角小; 但动态性能差。 (2)永磁式步进电动机(PM)。永磁式步进电动机出力大,动态性能好;但步距角 大。(3)混合式步进电动机(HB)。混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步 进电动机两 者得优点,它得步距角小,出力大,动态性能好,就是目前性能得步进电动机。它 有时也称作永磁感应子式步进电动机。 (二)步进电动机得工作原理 图 X1 三相反应式步进电动机结构示意图 1——定子 2——转子 3——定子绕组 图 x1 就是常见得三相反应式步进电动机得剖面示意图。电机得定子上有 六 个均布得磁极,其夹角就是 60?。各磁极上套有线 连成 A、B、C 三相 绕组。转子上均布 40 个小齿。所以每个齿得齿距为 θE=360?/40=9?,而定子 每个磁极得极弧上也有 5 个小齿,且定子与转子得齿距与齿宽均相同。由于定子 与转子得小齿数目分别就是 30 与 40,其比值就是一分数,这就产生了所谓得齿 错位得情况。若以 A 相磁极小齿与转子得小齿对齐,如图,那么 B 相与 C 相磁极 得齿就会分别与转子齿相错三分之一得齿距,即 3?。因此,B、C 极下得磁阻比 A 磁极下得磁阻大。若给 B 相通电,B 相绕组产生定子磁场,其磁力线穿越 B 相磁极, 并力图按磁阻小得路径闭合,这就使转子受到反应转矩(磁阻转矩)得作用而转 动,直到 B 磁极上得齿与转子齿对齐,恰好转子转过 3?;此时 A、C 磁极下得齿又 分别与转子齿错开三分之一齿距。接着停止对 B 相绕组通电,而改为 C 相绕组通 电,同理受反应转矩得作用,转子按顺时针方向再转过 3?。混合式步进电机依次类推,当三相绕组 按 A→B→C→A 顺序循环通电时,转子会按顺时针方向,以每个通电脉冲转动 3? 得规律步进式转动起来。若改变通电顺序,按 A→C→B→A 顺序循环通电,则转子 就按逆时针方向以每个通电脉冲转动 3?得规律转动。因为每一瞬间只有一相绕 组通电,并且按三种通电状态循环通电,故称为单三拍运行方式。单三拍运行时得 步矩角 θb 为 30?。三相步进电动机还有两种通电方式,它们分别就是双三拍运行, 即按 AB→BC→CA→AB 顺序循环通电得方式,以及单、双六拍运行,即按 A→AB →B→BC→C→CA→A 顺序循环通电得方式。六拍运行时得步矩角将减小一半。 反应式步进电动机得步距角可按下式计算: θb=360?/NEr (x-1) 式中 Er——转子齿数, N——运行拍数,N=km,m 为步进电动机得绕组相 数,k=1 或 2。混合式步进电机 (三)步进电动机得特性 (1)步进电动机必须加驱动才可以运转,驱动信号必须为脉冲信号,没有脉冲 信号得时候,步进电动机静止,如果加入适当得脉冲信号,就会以一定得角度(称为 步角)转动。转动得速度与脉冲得频率成正比。 (2)步进电机具有瞬间启动与急速停止得优越特性。 (3)改变脉冲得顺序,可以方便得改变转动得方向。 (四)步进电动机得驱动方法 步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作,而必须使用专用得步 进电动机驱动器,如图 x2 所示,它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单 元等组成。图中点划线所包围得二个单元可以用微机控制来实现。驱动单元与步 进电动机直接耦合,也可理解成步进电动机微机控制器得功率接口,这里予以简 单介绍。 图 x2 步进电动机驱动控制器 (1)单电压功率驱动接口 实用电路如图 3 所示。在电机绕组回路中串有电阻 Rs,使电机回路时间常 数减小,高频时电机能产生较大得电磁转矩,还能缓解电机得低频共振现象,但它 引起附加得损耗。一般情况下,简单单电压驱动线路中,Rs 就是不可缺少得。Rs 对步进电动机单步响应得改善如图 x3。 图 x3 单电压功率驱动接口及单步响应曲线)双电压驱动功率接口 双电压驱动得功率接口如图 x4 所示。双电压驱动得基本思路就是在较低(低 频段)用较低得电压 UL 驱动,而在高速(高频段)时用较高得电压 UH 驱动。这种功 率接口需要两个控制信号,Uh 为高压有效控制信号,U 为脉冲调宽驱动控制信号。 图中,功率管 TH 与二极管 DL 构成电源转换电路。当 Uh 低电平,TH 关断,DL 正偏 置,低电压 UL 对绕组供电。反之 Uh 高电平,TH 导通,DL 反偏,高电压 UH 对绕组供 电。这种电路可使电机在高频段也有较大出力,而静止锁定时功耗减小。 图 x4 双电压功率驱动接口 (3)高低压功率驱动接口 高低压功率驱动接口如图 x5 所示。高低压驱动得设计思想就是,不论电机工 作频率如何,均利用高电压 UH 供电来提高导通相绕组得电流前沿,而在前沿过后, 用低电压 UL 来维持绕组得电流。这一作用同样改善了驱动器得高频性能,而且不 必再串联电阻 Rs,消除了附加损耗。高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号 Uh 与 Ul,它们应保持同步,且前沿在同一时刻跳变,如图 x5 所示。图中,高压管 VTH得导通时间 tl不能太大,也不能太小,太大时,电机电流过载;太小时,动态性能 改善不明显。一般可取 1~3ms。(当这个数值与电机得电气时间常数相当时比 较合适)。 图 x5 高低压功率驱动接口 (4)斩波恒流功率驱动接口 恒流驱动得设计思想就是,设法使导通相绕组得电流不论在锁定、低频、高 频工作时均保持固定数值。使电机具有恒
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