文档介绍：步进电机基本原理
电机将电能转换成机械能,步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是精确的,并可重复,这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原因。
永磁步进电机包括一个永磁转子、线圈绕组和导磁定子。激励一个线圈绕组将产生一个电磁场,分为北极和南极,见图1所示。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。
图2显示了一个两相电机的典型的步进顺序。在第1步中,两相定子的A相通电,因异性相吸,其磁场将转子固定在图示位置。当A相关闭、B相通电时,转子顺时针旋转90°。在第3步中,B相关闭、A相通电,但极性与第1步相反,这促使转子再次旋转90°。在第4步中,A相关闭、B相通电,极性与第2步相反。重复该顺序促使转子按90°的步距角顺时针旋转。
图2中显示的步进顺序称为“单相激励”步进。更常用的步进方法是“双相激励”,其中电机的两相一直通电。但是,一次只能转换一相的极性,见图3所示。两相步进时,转子与定子两相之间的轴线处对直。由于两相一直通电,本方法比“单相通电”%的力矩,但输入功率却为2倍。
半步步进
电机也可在转换相位之间插入一个关闭状态而走“半步”。这将步进电机的整个步距角一分为二。例如,一个90°的步进电机将每半步移动45°,见图4。但是,与“两相通电”相比,半步进通常导致15%~30%的力矩损失(取决于步进速率)。在每交换半步的过程中,由于其中一个绕组没有通电,所以作用在转子上的电磁力要小,造成了力矩的净损失。
双极性绕组
双相激励介绍了利用一种“双极性线圈绕组”的方法。每相用一个绕组,通过将绕组中电流反向,电磁极性被反向。典型的两相双极驱动的输出步骤在电气原理图和图5中的步进顺序中进一步阐述。按图所示,转换只利用绕组简单地改变电流的方向,就能改变该组的极性。
单极性绕组
另一常用绕组是单极性绕组。其一个电极上有两个绕组,这种联接方式为当一个绕组通电时,产生一个北极磁场;另一个绕组通电,则产生一个南极磁场。因为从驱动器到线圈的电流不会反向,所以可称其为单极绕组。该步进顺序见图6所示。该设计使得电子驱动器简单化。但是,与双极性绕组相比,其力矩大约少30%,因为励磁线圈仅被利用了一半。
共振
由于电机是一个弹性体系统,所以步进电机有一个固有谐振频率。当步进速率等于电机的固有频率时,电机可能会产生听得见的噪音变化,同时振动增加。共振点将随应用场合和负载而变化,但共振点通常出现在70~120步/秒之间的某一位置。在严重情况下,电机在振荡点附近可能会失步。改变步进速率是避免系统中与共振有关的许多问题的最简单的方式。另外,半步或微步驱动通常也可以减少共振问题。当加减速时,要尽可能快地越过共振区。
力矩
一个特定的旋转步进电机所产生的力矩是下述参数的函数:
●步进速率
●通过绕组的电流
●所使用的驱动器的种类(直线电机所产生的力也取决于这些因素。)
力矩是摩擦力矩(Tf)和惯性力矩(Ti)之和。
T=Tf+Ti
摩擦力矩(oz-in或g-cm)为所要求移动一个载荷的力(单位为oz或g)乘上用于驱动载荷的力杆臂(r)的长度(单位为了in或cm)(见图8所示)。
Tf=
惯性力矩(Ti)为所要求用于加速负载(单位为:g-cm
2)的力矩。
Ti=I(ω/t)πθK
其中:I=惯量,单位:g-cm2
ω=步进速率,单位:步数/秒
t=时间,单位:秒
θ=步距角度,单位:度
K=常数:
应该注意到的是:当电机的步进速率增加时,电机的反向电动势(EMF)也增加。其限制了电流,并导致可使用的输出力矩的减少。
选择适当的电机
为了选择适当的电机,必须考虑几种因素。是要求线性运动还是要求旋转运动?以下为选择一个电机时应考虑的一些基本要求的清单。这将有助于确定是否要使用一个直线电机,还是要使用一个旋转电机。
旋转电机直线电机
要求多大力矩? 要求多大力?
工作周期是多少? 工作周期是多少?
所希望的步距角是多少? 所希望的步进增量是多少?
步进速率或转速(RPM)是多少? 步进速率或行程速度是多少?
双极性或单极性线圈? 双极性或单极性线圈?
线圈电压? 线圈电压?
定位力距或保持力矩要求? 断电时螺杆须保持位置或可反向移动?
是否有尺寸限制? 是否有尺寸限制?
所期望的寿命要求是多少? 所期望的寿命要求是多少?
工作环境温度是多少? 工作环境温度是多少?
滑动轴承或滚珠轴承? 固定轴或贯通轴式?
径向载荷和轴向载荷? 驱动器的类型?
驱动器的类型?