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21ic電子小課堂開課啦!第一堂課的主人公就是步進電機。作為廣泛應用在機械、電子、紡織等領域的重要電子元件,在使用它的過程中往往需要掌握機械、電機、電子及計算機等許多方面的知識,所以想要熟練的使用它可不是一件易事哦!這次的電子小課堂小編為大家總結了步進電機的基礎知識講解,步進電機工作原理,步進電機設計方案以及步進電機應用范例等許多內容,為大家學習步進電機的道路上開一個好頭。

步進電機基礎知識講解

1.步進電機的簡介

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。通俗一點講: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(及步進角)。您可以 通過控制脈沖個數來控制角位移量,從而達到準確定位的目的;同時您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。

2.步進電機的發展史

發展歷程 國家 大事件
原理的提出 法國人佛羅曼提出了將電磁鐵的吸引力轉化為旋轉力矩的方法。當時,激磁相的切換用機械式凸輪的接觸點來完成,這就是步進電機的原型。
實際應用 1920年步進電機的實際應用才開始,稱為VR(Variable Relutance,變磁阻)型步進電機,被英國海軍用作定位控制和遠程遙控。
混合式步進電機的誕生 大約在1952年,由美國GE公司的Karl Feiertag開發的發電機演變而來。與現在的兩相HB型步進電機結構相同,取得了US專利。

3.步進電機的特點

步進電機相對普通電機來說,他可以實現開環控制,即通過驅動器信號輸入端輸入的脈沖數量和頻率實現步進電機的角度和速度控制,無需反饋信號。但是步進電機不適合使用在長時間同方向運轉的情況,容易燒壞產品,即使用時通常都是短距離頻繁動作較佳。
相對伺服電機來說,伺服電機內部通過安裝旋轉編碼器實現了反饋控制,伺服電機可以達到的轉矩要高于步進電機,但是價格相對也高,所以在轉矩能滿足的情況下,推薦用步進電機。步進電機配合驅動器使用,很多驅動器都支持細分功能,即實現很小的步進角,控制更精確。

4.步進電機的主要分類

步進電機在構造上有三種主要類型:反應式(Variable Reluctance,VR)、永磁式(Permanent Magnet,PM)和混合式(Hybrid Stepping,HS)。
名稱 樣式 簡介
反應式步進電機 定子上有繞組、轉子由軟磁材料組成。結構簡單、成本低、步距角小,可達1.2°、但動態性能差、效率低、發熱大,可靠性難保證。
永磁式步進電機 永磁式步進電機的轉子用永磁材料制成,轉子的極數與定子的極數相同。其特點是動態性能好、輸出力矩大,但這種電機精度差,步矩角大(一般為7.5°或15°)。
混合式步進電機 混合式步進電機綜合了反應式和永磁式的優點,其定子上有多相繞組、轉子上采用永磁材料,轉子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。其特點是輸出力矩大、動態性能好,步距角小,但結構復雜、成本相對較高。
按定子上繞組來分,共有二相、三相和五相等系列。最受歡迎的是兩相混合式步進電機,約占97%以上的市場份額,其原因是性價比高,配上細分驅動器后效果良好。該種電機的基本步距角為1.8°/步,配上半步驅動器后,步距角減少為0.9°,配上細分驅動器后其步距角可細分達256倍(0.007°/微步)。由于摩擦力和制造精度等原因,實際控制精度略低。同一步進電機可配不同細分的驅動器以改變精度和效果。

5.步進電機的主要結構

定子、轉子是用硅鋼片或其他軟磁材料制成的。定子的每對極上都繞有一對繞組,構成一相繞組,共三相稱為A、B、C三相。
在定子磁極和轉子上都開有齒分度相同的小齒,采用適當的齒數配合,當A相磁極的小齒與轉子小齒一一對應時,B相磁極的小齒與轉子小齒相互錯開1/3齒距,C相則錯開2/3齒距。
A相繞組與齒1、5一一對應,而此時B相繞組與齒2錯開1/3齒距,而與齒3錯開2/3齒距,C相繞組與齒3錯開2/3齒距,而與齒4錯開1/3齒距。
電機的位置和速度由繞組通電次數(脈沖數)和頻率成一一對應關系。而方向由繞組通電的順序決定。

6.步進電機的選型

電機的步距角取決于負載精度的要求,將負載的最小分辨率(當量)換算到電機軸上,每個當量電機應走多少角度(包括減速)。電機的步距角應等于或小于此角度。
步進電機的動態力矩一下子很難確定,我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載,而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。一般情況下,靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好,靜力矩一旦選定,電機的機座及長度便能確定下來(幾何尺寸)
進電機一般在較大范圍內調速使用、其功率是變化的,一般只用力矩來衡量,力矩與功率換算如下:
P= Ω·M Ω=2π·n/60 P=2πnM/60

7.步進電機與伺服電機的區別


步進電機

伺服電機

·控制精度不同

步進電機的動態力矩一下子很難確定,我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載,而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。一般情況下,靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好,靜力矩一旦選定,電機的機座及長度便能確定下來(幾何尺寸)

·低頻特性不同

步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降,且在較高轉速時會急劇下降,所以其最高工作轉速一般在300~600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出,即在其額定轉速(一般為2000RPM或3000RPM)以內,都能輸出額定轉矩,在額定轉速以上為恒功率輸出。

·矩頻特性不同

步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降,且在較高轉速時會急劇下降,所以其最高工作轉速一般在300~600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出,即在其額定轉速(一般為2000RPM或3000RPM)以內,都能輸出額定轉矩,在額定轉速以上為恒功率輸出。

·過載能力不同

步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。

·運行性能不同

步進電機的控制為開環控制,啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象。交流伺服驅動系統為閉環控制,驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象,控制性能更為可靠。

·速度響應性能不同

步進電機從靜止加速到工作轉速(一般為每分鐘幾百轉)需要200~400毫秒。交流伺服系統的加速性能更好,可用于要求快速啟停的控制場合。

步進電機的工作原理知識講解

當電流流過定子繞組時,定子繞組產生一矢量磁場。該磁場會帶動轉子旋轉一角度,使得轉子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉一個角度。轉子也隨著該磁場轉一個角度。每輸入一個電脈沖,電動機轉動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比、轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序,電機就會反轉。所以可用控制脈沖數量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉動。

相關原理介紹:

步進電機相關設計總結

步進電機的應用案例盤點

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