《電子技術(shù)應(yīng)用》
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步進(jìn)電機(jī)的工作原理

2017-10-27

       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)控制元步進(jìn)電機(jī)件。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),它就驅(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”,它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的??梢酝ㄟ^(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。

  一、 步進(jìn)電機(jī)的工作原理

  該步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī),采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電,就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。

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  開(kāi)始時(shí),開(kāi)關(guān)SB接通電源,SA、SC、SD斷開(kāi),B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊,同時(shí),轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒,2、5號(hào)齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開(kāi)關(guān)SC接通電源,SB、SA、SD斷開(kāi)時(shí),由于C相繞組的磁力線和1、4號(hào)齒之間磁力線的作用,使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),1、4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒,2、5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推,A、B、C、D四相繞組輪流供電,則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

  四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同,可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等,但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。

  單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖2.a、b、c所示:

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            a. 單四拍               b. 雙四拍           c八拍

  51單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的方法:

  驅(qū)動(dòng)電壓12V,步進(jìn)角為 7.5度 . 一圈 360 度 , 需要 48 個(gè)脈沖完成!

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  該步進(jìn)電機(jī)有6根引線,排列次序如下:1:紅色、2:紅色、3:橙色、4:棕色、5:黃色、6:黑色。采用51驅(qū)動(dòng)ULN2003的方法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

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  ULN2003的驅(qū)動(dòng)直接用單片機(jī)系統(tǒng)的5V電壓,可能力矩不是很大,大家可自行加大驅(qū)動(dòng)電壓到12V。

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  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)控制元件。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,即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào),電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在,加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用,但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī),交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事,它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。 目前,生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少,但具有專業(yè)技術(shù)人員,能夠自行開(kāi)發(fā),研制的廠家卻非常少,大部分的廠家只一、二十人,連最基本的設(shè)備都沒(méi)有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況,我們決定以廣泛的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)為例。敘述其基本工作原理。望能對(duì)廣大用戶在選型、使用、及整機(jī)改進(jìn)時(shí)有所幫助。

二、感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)工作原理

 ?。ㄒ唬┓磻?yīng)式步進(jìn)電機(jī)

    由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡(jiǎn)單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理。

  1、結(jié)構(gòu): 電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒,定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻,其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開(kāi)。0、1/3て、2/3て,(相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示),即A與齒1相對(duì)齊,B與齒2向右錯(cuò)開(kāi)1/3て,C與齒3向右錯(cuò)開(kāi)2/3て,A'與齒5相對(duì)齊,(A'就是A,齒5就是齒1)下面是定轉(zhuǎn)子的展開(kāi)圖:

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  2、旋轉(zhuǎn): 如A相通電,B,C相不通電時(shí),由于磁場(chǎng)作用,齒1與A對(duì)齊,(轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同)。 如B相通電,A,C相不通電時(shí),齒2應(yīng)與B對(duì)齊,此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過(guò)1/3て,此時(shí)齒3與C偏移為1/3て,齒4與A偏移(て-1/3て)=2/3て。如C相通電,A,B相不通電,齒3應(yīng)與C對(duì)齊,此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3て,此時(shí)齒4與A偏移為1/3て對(duì)齊?!? 如A相通電,B,C相不通電,齒4與A對(duì)齊,轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3て 這樣經(jīng)過(guò)A、B、C、A分別通電狀態(tài),齒4(即齒1前一齒)移到A相,電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距,如果不斷地按A,B,C,A……通電,電機(jī)就每步(每脈沖)1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A,C,B,A……通電,電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 由此可見(jiàn):電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)(脈沖數(shù))和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過(guò),出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài),這樣將原來(lái)每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過(guò)二相電流不同的組合,使其1/3て變?yōu)?/12て,1/24て,這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。 不難推出:電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻,其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī),出于成本等多方面考慮,市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。

  3、力矩: 電機(jī)一旦通電,在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)(磁通量Ф)當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開(kāi)一定角度產(chǎn)生力F與(dФ/dθ)成正比

  其磁通量Ф=Br*S Br為磁密,S為導(dǎo)磁面積 F與L*D*Br成正比 L為鐵芯有效長(zhǎng)度,D為轉(zhuǎn)子直徑 Br=N·I/RN·I為勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)(電流乘匝數(shù))R為磁阻。力矩=力*半徑力矩與電機(jī)有效體積*安匝數(shù)*磁密 成正比(只考慮線性狀態(tài))因此,電機(jī)有效體積越大,勵(lì)磁安匝數(shù)越大,定轉(zhuǎn)子間氣隙越小,電機(jī)力矩越大,反之亦然。


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(二)感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)

  1、特點(diǎn): 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比,結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體,以提供軟磁材料的工作點(diǎn),而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能,因此該電機(jī)效率高,電流小,發(fā)熱低。因永磁體的存在,該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì),其自身阻尼作用比較好,使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行,也可以作二相運(yùn)行。(必須采用雙極電壓驅(qū)動(dòng)),而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。例如:四相,八相運(yùn)行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為C= ,D= . 一個(gè)二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致,小功率電機(jī)一般直接接為二相,而功率大一點(diǎn)的電機(jī),為了方便使用,靈活改變電機(jī)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn),往往將其外部接線為八根引線(四相),這樣使用時(shí),既可以作四相電機(jī)使用,可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。

  2、分類:感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以相數(shù)可分為 :二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)等。以機(jī)座號(hào)(電機(jī)外徑)可分為:42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號(hào))、57BYG、86BYG、110BYG、(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)),而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。

  3、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ)相數(shù):產(chǎn)生不同對(duì)極N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。拍數(shù):完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示,或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù),以四相電機(jī)為例,有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角:對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào),電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用θ表示。θ=360度(轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運(yùn)行拍數(shù)),以常規(guī)二、四相,轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/(50*4)=1.8度(俗稱整步),八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/(50*8)=0.9度(俗稱半步)。定位轉(zhuǎn)矩:電機(jī)在不通電狀態(tài)下,電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩(由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的)靜轉(zhuǎn)矩:電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下,電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積(幾何尺寸)的標(biāo)準(zhǔn),與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比,與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān),但過(guò)份采用減小氣隙,增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的,這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。

  4、步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ):

  1、步距角精度: 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示:誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同,四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi),八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。

  2、失步: 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù),不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。

  3、失調(diào)角: 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度,電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角,由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差,采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。

  4、最大空載起動(dòng)頻率: 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下,在不加負(fù)載的情況下,能夠直接起動(dòng)的最大頻率。

  5、最大空載的運(yùn)行頻率: 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式,電壓及額定電流下,電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。

  6、運(yùn)行矩頻特性: 電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性,這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的,也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。如下圖所示

  其它特性還有慣頻特性、起動(dòng)頻率特性等。 電機(jī)一旦選定,電機(jī)的靜力矩確定,而動(dòng)態(tài)力矩卻不然,電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流(而非靜態(tài)電流),平均電流越大,電機(jī)輸出力矩越大,即電機(jī)的頻率特性越硬。如下圖所示:

  其中,曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低,曲線與負(fù)載的交點(diǎn)為負(fù)載的最大速度點(diǎn)。要使平均電流大,盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓,使采用小電感大電流的電機(jī)。


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