步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造及工作原理

Word步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造及工作原理一.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造上大致分為定子與轉(zhuǎn)子兩部分。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子1、轉(zhuǎn)子2、永久磁鋼等3部分構(gòu)成。而且轉(zhuǎn)子朝軸方向已經(jīng)磁化，轉(zhuǎn)子1為N極時(shí)，轉(zhuǎn)子2則為S極。

定子擁有小齒狀的磁極，共有10個(gè)，皆繞有線圈。其線圈的對(duì)角位置的磁極相互連接著，（電流）流通后，線圈即會(huì)被磁化成同一極性。(例如某一線圈經(jīng)由電流的流通后，對(duì)角線的磁極將同化成S極或N極。)對(duì)角線的2個(gè)磁極形成1個(gè)相，而由于有A相至E相等5個(gè)相位，因此稱為5相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)子的外圈由50個(gè)小齒構(gòu)成，轉(zhuǎn)子1和轉(zhuǎn)子2的小齒于構(gòu)造上互相錯(cuò)開1/2螺距。

勵(lì)磁∶電動(dòng)機(jī)線圈通電時(shí)的狀態(tài)磁極∶經(jīng)由勵(lì)磁而磁化的定子的突出部分小齒∶轉(zhuǎn)子和定子的齒狀

二.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的（工作原理）

實(shí)際上經(jīng)過(guò)磁化后的轉(zhuǎn)子及定子的小齒的位置關(guān)系，在此說(shuō)明如下。

A相勵(lì)磁

將A相勵(lì)磁，會(huì)使得磁極磁化成S極，而其將與帶有N極磁性的轉(zhuǎn)子1的小齒互相吸引，并與帶有S極磁性的轉(zhuǎn)子2的小齒相斥，于平衡后停止。此時(shí)，沒(méi)有勵(lì)磁的B相磁極的小齒和帶有S極磁性的轉(zhuǎn)子2的小齒互相偏離0.72°。以上是A相勵(lì)磁時(shí)的定子和轉(zhuǎn)子小齒的位置關(guān)系。

B相勵(lì)磁

其次由A相勵(lì)磁轉(zhuǎn)為B相勵(lì)磁時(shí)，B相磁極磁化成N極，與擁有S極磁性的轉(zhuǎn)子2互相吸引，而與擁有N極磁性的轉(zhuǎn)子1相斥

也就是說(shuō)，從A相勵(lì)磁轉(zhuǎn)換至B相勵(lì)磁時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)0.72°。由此可知，勵(lì)磁相位隨A相→B相→C相→D相→E相→A相依次轉(zhuǎn)換，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以每次0.72°做正確的轉(zhuǎn)動(dòng)。同樣的，希望作反方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，只需將勵(lì)磁順序倒轉(zhuǎn)，依照A相→E相→D相→C相→B相→A相勵(lì)磁即可。0.72°的高分辨率，是取決于定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)造上的（機(jī)械）偏移量，所以不需要（編碼器）等（傳感器）即可正確的定位。另外，就停止精度而言，會(huì)影響的只有定子與轉(zhuǎn)子的加工精度、組裝精度、及線圈的直流電阻的不同等而已，因此可獲得±3分(無(wú)負(fù)載時(shí))的高停止精度。實(shí)際上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由驅(qū)動(dòng)器來(lái)進(jìn)行勵(lì)磁相的轉(zhuǎn)換，而勵(lì)磁相的轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)則是由輸入驅(qū)動(dòng)器的脈沖（信號(hào)）所進(jìn)行。以上舉的是1相位勵(lì)磁的例子，實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，為有效利用線圈同時(shí)進(jìn)行4相或5相勵(lì)磁的。

●控制方法的概要

內(nèi)藏新開發(fā)的轉(zhuǎn)子位置（檢測(cè)）傳感器在電動(dòng)機(jī)的反輸出軸側(cè)藏有轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)傳感器

利用傳感器線圈檢測(cè)由于轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)位置所決定的磁阻的變化。

采用新概念的閉環(huán)（控制系統(tǒng)）

通過(guò)偏差計(jì)數(shù)器的演算可得知，脈沖信號(hào)的指令位置與實(shí)際的轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)位置的偏差量(不足/過(guò)轉(zhuǎn))。通過(guò)偏差計(jì)數(shù)器的演算結(jié)果判斷是否進(jìn)入「失步領(lǐng)域」，以轉(zhuǎn)換開環(huán)模式/閉環(huán)模式?！の恢闷盍课催_(dá)±1.8°時(shí)，以開環(huán)模式進(jìn)行運(yùn)行。·位置偏差量超過(guò)±1.8°時(shí)，以閉環(huán)模式進(jìn)行運(yùn)行。

于閉環(huán)電路模式下，驅(qū)動(dòng)器會(huì)控制電動(dòng)機(jī)線圈的勵(lì)磁狀態(tài)，令其對(duì)于轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)位置產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。采用此種控制方式，于角度-轉(zhuǎn)矩特性上沒(méi)有所謂的不穩(wěn)定點(diǎn)(失步領(lǐng)域)。

提升步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能

●高速領(lǐng)域的轉(zhuǎn)矩特性更容易使用因?yàn)椴粫?huì)失步，因此使用時(shí)不需如以往的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般需要考慮以下各點(diǎn)∶·起因于控制器的脈沖Profile的加減速常數(shù)、慣性比的限制·起因于失步的起動(dòng)脈沖速度的限制因此可更簡(jiǎn)單的于超過(guò)自起動(dòng)領(lǐng)域的領(lǐng)域中進(jìn)行高速運(yùn)行。

●使用速度（濾波器）開關(guān)調(diào)整起動(dòng)時(shí)/停止時(shí)的響應(yīng)性不需變更控制器的數(shù)據(jù)(起動(dòng)脈沖速度、加減速常數(shù))即可將起動(dòng)時(shí)/停止時(shí)的響應(yīng)性做16種類的調(diào)整。此一功能主要目的是希望能減少對(duì)工作物的保護(hù)，以及降低低速運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本特性

使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的特性是否符合使用條件，是相當(dāng)重要的一點(diǎn)。在此說(shuō)明步進(jìn)電動(dòng)機(jī)使用時(shí)的重要特性。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性可大略分為兩項(xiàng)?！駝?dòng)態(tài)特性∶這是與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)或運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有關(guān)的特性。主要會(huì)影響機(jī)器的工作、周期時(shí)間等?！耢o態(tài)特性∶這是與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止時(shí)角度變化有關(guān)的特性，主要會(huì)影響機(jī)器的精度。

●動(dòng)態(tài)特性

轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性

表示驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，其特性圖如上所示。這是選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)所必須考慮的特性。橫軸代表電動(dòng)機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速，而縱軸則代表轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性取決于電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)器，因使用的驅(qū)動(dòng)器的種類不同將產(chǎn)生很大的差異。

q保持轉(zhuǎn)矩(HoldingTorque)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)于通電狀態(tài)(額定電流)停止時(shí)，所能保持的最大轉(zhuǎn)矩(保持力)。w最大同步轉(zhuǎn)矩(PulloutTorque)各種轉(zhuǎn)速所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩。選用電動(dòng)機(jī)時(shí)必須注意所需轉(zhuǎn)矩一定要在此曲線的內(nèi)側(cè)。e最大自起動(dòng)頻率(fs)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)于摩擦負(fù)載、慣性負(fù)載為0時(shí)，可瞬時(shí)(無(wú)加減速時(shí)間)起動(dòng)、停止的最大脈沖速度。若以比此更大的脈沖速度來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，則有必要進(jìn)行緩慢加減速。電動(dòng)機(jī)上有慣性負(fù)載時(shí)，則此頻率會(huì)有所下降。(請(qǐng)參考慣性負(fù)載-自起動(dòng)頻率特性)最大響應(yīng)頻率(fr)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)于摩擦負(fù)載、慣性負(fù)載轉(zhuǎn)為0時(shí)，進(jìn)行緩慢的加減速時(shí)可運(yùn)行的最大脈沖速度。

下圖為代表5相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組合的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性。

慣性負(fù)載-自起動(dòng)頻率特性

表示因自起動(dòng)頻率的慣性負(fù)載而產(chǎn)生變化的特性。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子本身或負(fù)載，因有慣性慣量存在，因此于瞬時(shí)起動(dòng)或停止時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸會(huì)產(chǎn)生遲延或超過(guò)的現(xiàn)象。此一數(shù)值會(huì)隨脈沖速度而變化，但是若超過(guò)某一數(shù)值時(shí)電動(dòng)機(jī)將無(wú)法追隨脈沖速度，而產(chǎn)生失步(miss-step)現(xiàn)象。此一即將失步前的脈沖速度就稱為自起動(dòng)頻率

相對(duì)于慣性負(fù)載的最大自起動(dòng)頻率的變化可以下列公式算出近似值。

=f

fs

JLJ0

[Hz]

1+

fs∶電動(dòng)機(jī)單體的最大自起動(dòng)頻率[Hz]f∶有慣性負(fù)載時(shí)的最大自起動(dòng)頻率[Hz]Jo∶轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[kg.m2(gfcm2)]JL∶負(fù)載的慣性慣量[kg.m2(gfcm2)](J=的關(guān)系存在)GD24

振動(dòng)特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以連續(xù)的步距狀態(tài)邊移動(dòng)邊重復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。其步距狀態(tài)的移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生如下所示的1步距響應(yīng)。

q停止?fàn)顟B(tài)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸入1脈沖時(shí)，會(huì)朝下一個(gè)步距角進(jìn)行加速。w加速后的電動(dòng)機(jī)通過(guò)步距角并超過(guò)某個(gè)角度后，則會(huì)朝反方向被拉回。e如此般衰減振動(dòng)后，將于既定的步距角度位置上停止下來(lái)

●電磁制動(dòng)

保持電動(dòng)機(jī)位置的機(jī)械式制動(dòng)。本公司采用因停電等造成（電源）中斷時(shí)可立即自動(dòng)保持電動(dòng)機(jī)位置的無(wú)勵(lì)磁動(dòng)作型電磁制動(dòng)。

●齒隙為減速機(jī)或聯(lián)軸器上的間隙。齒隙角度的范圍是無(wú)法控制的，愈小愈容易執(zhí)行高精度定位。本公司備有無(wú)齒隙的諧波減速機(jī)、PN減速機(jī)或齒隙較小的PL減速機(jī)、TH減速機(jī)。

●脈沖輸入方式以脈沖指令方式控制CW、CCW的運(yùn)轉(zhuǎn)方向。有單脈沖(1P)輸入方式與雙脈沖(2P)輸入方式。單脈沖輸入方式是依據(jù)脈沖信號(hào)與運(yùn)轉(zhuǎn)方向信號(hào)產(chǎn)生的方式。雙脈沖輸入方式是在CW方向輸入CW脈沖，在CCW方向輸入CCW脈沖的方式。

●（光耦）合器(ON、OFF)光耦合器是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光進(jìn)行傳動(dòng)的，輸入與輸出是采?。姎猓┙^緣的方式，具有不易受干擾的特性。本公司的定義為驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的光耦合器(（晶體管）)通電狀態(tài)時(shí)為「ON」，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的光耦合器(晶體管)非通電狀態(tài)時(shí)為「OFF」。

OFFON光（耦合）器狀態(tài)

●微步這是利用控制流入電動(dòng)機(jī)線圈的電流，將步距角細(xì)分化，實(shí)現(xiàn)高分辨率的技術(shù)步距角是非常小的，所以不會(huì)因步進(jìn)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)低振動(dòng)、低噪音。

●下降將負(fù)載從上向下帶動(dòng)的工作稱為下降運(yùn)行。對(duì)電動(dòng)機(jī)而言，因?yàn)闀?huì)受重力而產(chǎn)生被帶動(dòng)的情形，所以若使用伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生發(fā)（電機(jī)）功能，可能造成驅(qū)動(dòng)器的損壞，所以必須加裝再生電路。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或因是與脈沖同步轉(zhuǎn)動(dòng)的，所以下降時(shí)也可執(zhí)行速度控制。

●勵(lì)磁原點(diǎn)指勵(lì)磁程序處于初始的狀態(tài)。5相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)7.2°時(shí)，便到初始狀態(tài)。