步进电机的种类及其工作原理

一、步进电机的定义步进电机又称电脉冲马达。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。输入一个电脉冲就转动一步，即每当电机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子的角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比。并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向，很容易用微机实现数字控制。步进电机的特点1、可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。2、位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度的组成闭环控制系统。3、无刷，电动机本体部件少，可靠性高。4、易于起动，停止，正反转及速度响应性好。5、停止时可有自锁能力。6、步距角可在大范围内选择，在小步距情况下，通常可以在超低转速下高转距稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载。7、速度可在相当宽范围内平滑调节，同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。8、步进电动机带惯性负载能力较差。9、由于存在失步和共振，步进电机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化。步进电机的种类一、可变磁阻型(VR型——VariableReluctivityType)。又称作反应式步进电机。其定子与转子由铁芯构成，没有永久磁铁，定子上嵌有线圈．转于在定子与转子磁阻最小位置上转动，并由此而得名可变磁阻型。这类电机的转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。由于该类电机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力。这种电机具有制造成本高、效率低、转子的阻尼差、噪声大等缺点。制造材料费用低、结构简单、步距角小。步进电机的种类二、永磁型(PM型一PermanentMagnetType)PM型步进电机的转子采用永久磁铁、定子采用软磁钢制成，绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。这种电机由于采用了永久磁铁，即使定子绕组断电也能保持一定转矩。PM型电机的特点是励磁功率小、效率高、造价便宜，因此需要量也大。由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故步距角较大。步进电机的种类三、混合型(HB型一HybridType)转子导磁体上嵌有永久磁铁，可以说是永磁型和可变磁阻型相结合的一种形式。故称为混合型步进电机。它不仅具有VR型步进电机步距角小、响应频率高的优点，而且还具有PM型步进电机励磁功率小、效率高的优点。步进电机的工作原理单三拍步进电机的工作原理三相六拍永磁式步进电机工作原理步进电动机的主要性能指标最大静转矩Mjmax(N·m)它表示了步进电机承受负载的能力。Mjmax越大，其带负载能力越强，运行的快速性及稳定性也越好。空载起动频率fq(步/秒)它是衡量步进电机快速性能的重要技术数据。起动矩频特性起动频率fq随负载力矩M下降的关系曲线称为起动矩频特性空载运行频率fmax(步/秒)运行矩频特性它是衡量步进电机运转时承载能力的动态性能指标。运行矩频特性曲线四、步进电机驱动器(1)环形脉冲分配器。步进电机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。这种使电机绕组的通电顺序按一定规律变化的部分称为脉冲分配器，又称环形脉冲分配器。四、步进电机驱动器(2)功率放大器。从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几至十几安培，从而驱动步进电机运转。由于电机各相绕组部是绕在铁芯上的线圈，所以电感较大，绕组通电时，电流上升率受到限制。因而影响电机绕组电流的大小。绕组断电时，电感中磁场的储能元件将维持绕组中已有的电流不能突变，在绕组断电时会产生反电动势．为使电流尽快衰减，并释放反电动势，必须增加适当的续流回路。步进电机所使用的功率放大电路有电压型和电流型。电压型又有单电压型、双电压型(高低压型)。电流型中有恒流驱动、斩波驱动等。四、步进电机驱动器（3）细分驱动。步进电机的各种功率放大电路都是按照环形分配器决定的分配方式、控制电机各相绕组的导通或截止，从而使电机产生步进运动，步距角的大小只有两种，即整步工作或半步工作。步距角已由步进电机的结构所确定。如果要求步进电机有更小的步距用或者为减小电机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或去除，而是只改变相应绕组中额定的一部分，则电机转子的每步运动也只有步距角的一部分。这里绕组电流不是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除，电流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数转过一个步距角。这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法称为细分驱动。细分驱动的特点是在不改动电机结构参数的情况下，能使步距角减小。五、步进电机的控制步进电机的控制电路可以采用硬件方式构成，这种情况下，如果需要变动控制功能，则又须重新设计硬件电路，因此灵活性差、调整困难。计算机数控技术为步进电机的控制开辟了新的途径。原来由硬件线路实现的控制，都可方便地由相应的计算机程序模块来实现。这样不但使控制功能增强，使电路简化、成本降低，而且可靠性也大大提高。控制计算机I/O接口板步进电机驱动器步进电机1．速度控制引起步进电机的失步的原因有两种，一种是由于过载所致，另一种是启、停过程中的升速运动。速度控制就是如何使步进电机快速不失步地升频到高的工作频率，不失步地快速降至停止状态。定时法定步法2．位置控制对步进电机实现位置控制的方法是，首先按照机械传动关系，求出丝杆位移量与步进电机转角的关系，从而得到一定直线位移量所对应的步进电机转角，并根据步距角的大小换算为步进电机所应转过的步数，将该步数赋给一变量，当电机每进给一步，控制程序自动完成减一运算，并判断是否为零。如不为零，则继续进给加工；若为零，则停止进给加工，即停止电机的运行。