步进电机是一种用电脉冲进行控制,将电脉冲(数字信号)转化为角位移的执行机构。
通常步进电机的转子为永磁体,当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 (称为'步距角'),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
步进电机输出的角位移与输入的脉冲数成正比,转速与脉冲频率成正比,改变绕组通电的顺序,电机就会反转。因此:
步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差 的特点,广泛应用于各种开环控制。
x相即有x个绕组。
四相步进电机的驱动器结构复杂,成本高,只有特殊用途才使用。
转子由永磁材料构成。PM型转子为内转子型,圆柱形转子的外表面分布N、S极(外表面无齿)。
特点:永磁式步进电机输出力矩大,动态性能好,但步距角大。
转子由硅钢片或电工纯铁棒等导磁体构成,转子外表面为多齿结构(转子的齿槽在转动时产生磁阻变化,故又称为变磁阻电机)。
当定子线圈通电时,定子磁极磁化,吸引转子齿而产生转矩,使其移动一步。
与永磁电机产生磁性吸引转矩和排斥转矩相比,反应式步进电机只产生吸引转矩。
下图为反应式步进电机的结构。图中定子上均匀分布了12个磁极,每个磁极相距30°;相差90°的四个线圈组成一相绕组。转子齿数为8,当一相绕组通电时,其定子极吸引转子齿,使气隙磁阻最小,达到静止位置。
下一刻,第1相绕组又通电,又由步骤3的转子位置逆时针旋转15°到第1相定子磁极下,恢复到第一步状态。
特点:结构简单,生产成本低,步距角小。但因反应式步进电机不使用永久磁铁,其定转子磁场强度与激磁电流成正比,要想增大磁场强度,就需要很大的激磁电流,因此温升很高,散热片也很大,并且动态性能差,效率低,可靠性差。
混合式步进电机有两相、三相、五相式,本节以两相混合式步进电机进行说明。
混合式步进电机的名称由其转子结构得来,其转子是PM型转子与VR型转子的复合体。
混合式步进电机的转子结构为两个导磁圆盘中间夹着一个永磁圆柱体轴向串在一起,两个导磁圆盘的外圆齿节距相同,与前述的VR型转子结构相同,其两个圆盘的齿错开1/2齿距安装,转子圆柱永磁体轴向充磁,一段为N,另一端为S。
与转子齿对应的定子极,主极内径有与转子齿节距相同的小齿,与转子齿的磁通在气隙内相互作用,能产生电磁转矩。
下图为两相混合式步进电机的磁路。
下图是一个双极性四线两相混合式的步进电机。
注:在这里可以先不用管什么是双极性,接着往下看就行。
注:“四线” 就是说明步进电机有四个接线口。
特点:步距角小、输出力矩大、动态性能好。但结构复杂,成本较高。
电机按照驱动方式也分单极性步进电机和双极性步进电机。
简单来说,如果步进电机的线圈是可以双向导电的,那么这个步进电机就是双极性的,相反,如果步进电机的线圈是只允许单向导电的,那么这个步进电机就是单极性的。
下图中的线圈是可以双向导电的,所以是双极性步进电机。
通电后受到电磁场得作用,转子移动。
下图为单极式步进电机及其线圈不使用中间抽头,两个线圈串联做双极式驱动的单极式与双极式的特性曲线。且均采用同一恒电流驱动方式。
由此可看出,一般低速大转矩的负载使用双极式驱动,而高速驱动的负载使用单极式驱动。
低速时双极式的输出转矩比单极式约大50%。高速时,因双极式匝数多的原因,电感变大,使电流减小,从而转矩减小。
故针对负载的大小、使用速度、加速时间等,有必要合理选择单极式或双极式的驱动应用场合。
指定子相数,即可独立通电的定子电磁圈数,x相即有x个绕组。
步进电机分辨率即步进电机转子转一圈(360°)所走的步数,若已知步进电机步距角,可使用360°除以步距角来计算步进电机分辨率。步进电机分辨率越高,位置精度越高。
为了得到高分辨率,就需要减小步距角。步距角的公式如下所示:
上述公式的物理意义为:转子旋转一周的机械角度为360°,如用极数2Nr去除,相当于一个极所占的机械角度为180°/Nr。也就是说,一个极的机械角度用定子相数去分割,就得到了步距角,如下图的HS型步进电机所示。
是指步进电机没有通电的情况下,定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE在国内没有统一的翻译方式,暂且翻译为定位转矩。
由于反应式步进电机的转子不是永磁材料,所以反应式步进电机没有定位转矩。
指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。
它是步进电机最重要的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如,当人们说2Nm的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2Nm的步进电机。
一般,最大静转矩较大的电机,可以带动较大的负载转矩,负载转矩和最大静转矩的比值通常取为0.3~0.5,即TL=(0.3~0.5)Tjmax。
按最大静转矩的值可以把步进电机分为伺服步进电机和功率步进电机,前者输出力矩较小,有时需要经过液压力矩放大器或伺服功率放大系统放大后再去带动负载,而功率步进电机的最大静转矩一般大于0.05Nm,它不需要力矩放大装置就能直接带动负载运动,这不仅大大简化了系统,而且提高了传动精度。
也可理解为驱动方式,有双极性和单极性。
指电机可以长期连续工作的电流。
指电机可以长期连续工作的电压。
包括NEMA10、NEMA11、NEMA14、NEMA16、NEMA17。
电动机的性能在很大程度上不仅仅取决于矩角特性的形状,而且取决于矩频特性,首先需要根据计算出的脉冲速度和运行需要的转矩,作出速度一转矩曲线,将该曲线与步进电机生产厂家的矩频特性曲线比较,若计算曲线在产品特性之下,则可选择相应的电机和驱动器,步进电机的动态转矩与驱动器的形式有很大的关系,因而选用时必须了解给出的性能指标是在何种型式的电源及驱动下测定的。
当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反电动势越大,在它的作用下,电机相电流随频率(或速度)的增大而减小,从而导致力矩下降。
空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率。如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。
在有负载的情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。
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