步進電動機概念及其工作原理.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡，如有侵權，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除天馬行空官方博客：/tmxk_docin ；QQ:1318241189；QQ群：175569632步進電動機概念及其工作原理步進電動機是一種將脈沖信號變換成相應的角位移(或線位移)的電磁裝置，是一種特殊的電動機。一般電動機都是連續(xù)轉動的，而步進電動機則有定位和運轉兩種基本狀態(tài)，當有脈沖輸入肘步進電動機一步一步地轉動，每給它一個脈沖信號，它就轉過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉角、轉速及轉動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉子保持原有位置處于定位狀態(tài)。 步進電動機按其輸出轉矩的大小來分，可以分為快速步進電動機和功率步進電動機?？焖俨竭M電動機連續(xù)工作頻率高而輸出轉矩較小，一般在Ncm級，可以作為控制小型精密機床的工作臺(例線切割機床)也可以和液壓轉矩放大器組成電液脈沖馬達去驅動數(shù)控機床的工作臺，而功率步進電動機的輸出轉矩就比較大是Nm級的，可以直接去驅動機床的移動部件。 步進電動機按其勵磁相數(shù)，可以分為三相、四相、五相、六相甚至八相。一般來說隨著相數(shù)的增加，在相同頻率的情況下，每相導通電流的時間增加，各相平均電流會高些，從而使電動機的轉速轉矩特性會好些，步距角亦小。但是隨著相數(shù)的增加，電動機的尺寸就增加，結構亦復雜，目前多用36相的步進電動機。 由于步進電動機的轉速隨著輸入脈沖頻率變化而變化，調速范圍很廣，靈敏度高，輸出轉角能夠控制，而且輸出精度較高，又能實現(xiàn)同步控制，所以廣泛地使用在開環(huán)系統(tǒng)中，也還可用在一般通用機床上，提高進給機構的自動化水平。 步進電動機按其工作原理來分，主要有磁電式和反應式兩大類，這里只介紹常用的反應式步進電動機的工作原理，現(xiàn)用下圖的步進電動機的簡化圖來加以說明。在電動機定子上有A、B、C三對磁極，磁極上繞有線圈，分別稱之為A相、B相和C相，而轉子則是一個帶齒的鐵心，這種步進電動機稱之為三相步進電動機。如果在線圈中通以直流電，就會產生磁場，當A、B、C三個磁極的線圈依次輪流通電，則A、B、C三對磁極就依次輪流產生磁場吸引轉子轉動。 首先有一相線圈(設為A相)通電，則轉子1、3兩齒被磁極A吸住，轉子就停留在圖55a的位置上。然后，A相斷電，6相通電，則磁極A的磁場消失磁極B產生了磁場，磁極召的磁場把離它最近的2、4兩齒吸引過去，停止在圖b的位置上，這時轉子逆時針轉了30。再接下去B相斷電，C相通電。根據(jù)同樣道理，轉子又逆時針轉了30，停止在圖c的位置上。若再A相通電，C相斷開，那么轉子再逆轉30，使磁極A的磁場把2、4兩個齒吸住。定子各相輪流通電一次轉子轉過一個齒。這樣按ABCABCA次序輪流通電，步進電動機就一步一步地按逆時針方向旋轉。通電線圈每轉換一次，步進電動機旋轉30，我們把步進電動機每步轉過的角度稱之為步距角。如果把步進電動機通電線圈轉換的次序倒過來換成ACBACB的順序，則步進電動機將按順時針方向旋轉，所以要改變步進電動機的旋轉方向可以在任何一相通電時進行。步進電動機步進電動機已成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機。傳統(tǒng)電動機作為機電能量轉換裝置，在人類的生產和生活進入電氣化過程中起著關鍵的作用?？墒窃谌祟惿鐣M入自動化時代的今天，傳統(tǒng)電動機的功能已不能滿足工廠自動化和辦公自動化等各種運動控制系統(tǒng)的要求。為適應這些要求，發(fā)展了一系列新的具備控制功能的電動機系統(tǒng)，其中較有自己特點，且應用十分廣泛的一類便是步進電動機。步進電動機的發(fā)展與計算機工業(yè)密切相關。自從步進電動機在計算機外圍設備中取代小型直流電動機以后，使其設備的性能提高，很快地促進了步進電動機的發(fā)展。另一方面，微型計算機和數(shù)字控制技術的發(fā)展，又將作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進電動機推廣應用到其他領域，如電加工機床、小功率機械加工機床、測量儀器、光學和醫(yī)療儀器以及包裝機械等。任何一種產品成熟的過程，基本上都是規(guī)格品種逐步統(tǒng)一和簡化的過程?，F(xiàn)在，步進電動機的發(fā)展已歸結為單段式結構的磁阻式、混合式和爪極結構的永磁式三類。爪極電機價格便宜，性能指標不高，混合式和磁阻式主要作為高分辨率電動機，由于混合式步進電動機具有控制功率小，運行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導地位。最典型的產品是二相8極50齒的電動機，步距角1.80.9（全步半步）； 還有五相10極50齒和一些轉子100齒的二相和五相步進電動機，五相電動機主要用于運行性能較高的場合。到目前，工業(yè)發(fā)達國家的磁阻式步進電動機已極少見。步進電動機最大的生產國是日本，如日本伺服公司、東方公司、SANYO DENKI和MINEBEA及NPM公司等，特別是日本東方公司，無論是電動機性能和外觀質量，還是生產手段，都堪稱是世界上最好的?，F(xiàn)在日本步進電動機年產量（含國外獨資公司）近2億臺。德國也是世界上步進電動機生產大國。德國B.L.公司1994年五相混合式步進電動機專利期滿后，推出了新的三相混合式步進電動機系列，為定子6極轉子50齒結構，配套電流型驅動器，每轉步數(shù)為200、400、1000、2000、4000、10000和20000，它具有通常的二相和五相步進電動機的分辨率，還可以在此基礎上再10細分，分辨率提高10倍，這是一種很好的方案，充分運用了電流型驅動技術的功能，讓三相電動機同時具有二相和五相電動機的性能。與此同時，日本伺服公司也推出了他們的三相混合式步進電動機。該公司阪正文博士研制了三種不同的永磁式三相步進電動機，即HB型（混合式）、RM性（定子和混合式相似，轉子則同永磁式環(huán)形磁鐵相似）和爪極PM型。將三相步進電動機同二相步進電動機進行比較后顯示：在獲得小步距角方面，三相電動機比二相電動機要好。三相電動機的兩相勵磁最大保持力矩為3T1（T1為單相勵磁轉矩），而二相電動機為 2T1，所以三相電動機的合成力矩大。三相電動機的轉矩波動比二相電動機要小。三相電動機連續(xù)2步用于半步的轉矩差比二相電動機的要小。三相電動機繞組可以星形連接，三個終端驅動，勵磁電路晶體管6個； 而二相電動機是8個。連續(xù)運轉時，由于三相步進電動機結構原因，磁通和電流的三次諧波被消除了，所以三相電動機的振動力矩比二相電動機的要小。結論是顯而易見的。另外的結論是HB型電動機更適合于低速大轉矩用途；RM型適用于平穩(wěn)運行以及轉速大于1000r/min的用途；而PM型成本低，在低轉速時的振動和高轉速時的大轉矩方面，三相PM型電動機比兩相電動機的性能要好。因此，當前最有發(fā)展前景的當屬混合式步進電動機，而混合式電動機又向以下四個方向發(fā)展：發(fā)展趨勢之一，是繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動機本身應用領域的拓寬以及各類整機的不斷小型化，要求與之配套的電動機也必須越來越小，在57、42機座號的電動機應用了多年后，現(xiàn)在其機座號向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近還研制出外徑僅10mm的步進電動機。發(fā)展趨勢之二，是改圓形電動機為方形電動機。由于電動機采用方型結構，使得轉子有可能設計得比圓形大，因而其力矩體積比將大為提高。同樣機座號的電動機，方形的力矩比圓形的將提高3040。發(fā)展趨勢之三，對電動機進行綜合設計。即把轉子位置傳感器，減速齒輪等和電動機本體綜合設計在一起，這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。發(fā)展趨勢之四，向五相和三相電動機方向發(fā)展。目前廣泛應用的二相和四相電動機，其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機具有優(yōu)勢性。而就這兩種電動機而言，五相電動機的驅動電路比三相電動機復雜，因此三相電動機系統(tǒng)的性能價格比要比五相電動機更好一些。我國的情況有所不同，直到20世紀80年代，一直是磁阻式步進電動機占統(tǒng)治地位，混合式步進電動機是80年代后期才開始發(fā)展，至今仍然是二種結構類型同時并存。盡管新的混合式步進電動機完全可能替代磁阻式電動機，但磁阻式電動機的整機獲得了長期應用，對于它的技術也較為熟悉，特別是典型的混合式步進電動機的步距角（0.9/1.8）與典型的磁阻式電動機的步距角（0.75/1.5）不一樣，用戶改變這種產品結構不是很容易的，這就使得兩種機型并存的局面難以在較短時間內改變。這種現(xiàn)狀對步進電動機的發(fā)展是不利的。步進電機的基本原理步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制?，F(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩?；旌鲜讲竭M電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度，這種步進電機的應用最為廣泛。步進電機的一些基本參數(shù)：電機固有步距角： 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機給出的值為0.9/1.8（表示半步工作時為0.9、整步工作時為1.8），這個步距角可以稱之為電機固有步距角，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。步進電機的相數(shù)： 是指電機內部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9/1.8、三相的為0.75/1.5、五相的為0.36/0.72 。在沒有細分驅動器時，用戶主要*選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。保持轉矩（HOLDING TORQUE）：是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進電機。DETENT TORQUE：是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。DETENT TORQUE 在國內沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產生誤解；由于反應式步進電機的轉子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。步進電機的一些特點：1一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。2步進電機外表允許的最高溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。4步進電機低速時可以正常運轉