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深度剖析步進電機
發(fā)布時間：2023-12-31 12:04:14 瀏覽：522次
步進電機因其在速度和位置控制精度上的優(yōu)秀性能，在電機行業(yè)中應(yīng)用廣泛。對于步進電機的架構(gòu)和驅(qū)動方式、工作原理、應(yīng)用中的注意事項，我們將進行深度剖析。
步進電機是一種作為控制用的特種電機, 它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度(稱為"步距角")一步一步運行的, 其特點是沒有積累誤差(精度為100%), 所以廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。步進電機的運行要有一電子裝置進行驅(qū)動, 這種裝置就是步進電機驅(qū)動器, 它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進電機的角位移, 或者說: 控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號, 通過驅(qū)動器就使步進電機旋轉(zhuǎn)一步距角，所以步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。因此控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精確調(diào)速；控制步進脈沖的個數(shù)，可以對電機精確定位目的。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。
一、步進電機的構(gòu)造（以五相步進電機為例）
步進電機的構(gòu)造如下圖所示，大致分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子1、轉(zhuǎn)子2和永久磁鋼組成。
定子擁有小齒狀的磁極，共有 10個，皆繞有線圈。 其線圈的對角位置的磁極相互連接著，電流流通后，線圈即會被磁化成同一極性。（例如某一線圈經(jīng)由電流的流通后，對角線的磁極將 同化成 S 極或 N 極。） 對角線的 2個磁極形成 1個相，而由于有 A相至 E相等 5個相位，因此稱為 5 相步進電動機。
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轉(zhuǎn)子的外圈由 50個小齒構(gòu)成，轉(zhuǎn)子 1 和轉(zhuǎn)子 2 的小齒于構(gòu)造上互 相錯開 1/2 螺距。由此轉(zhuǎn)子形成了100個小齒。目前已經(jīng)有轉(zhuǎn)子單個加工至100齒的高分辨率型，那么高分辨率型的轉(zhuǎn)子就有200個小齒。因此其機械上就可以實現(xiàn)普通步進電機半步(普通步進電機半步需要電氣細分達到)的分辨率。
二、步進電機工作原理
當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)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(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)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(zhuǎn)動。
三、步進電機的控制
步進電機驅(qū)動方式有三種基本的驅(qū)動模式：整步、半步、細分。其主要區(qū)別在于電機線圈電流的控制精度(即激磁方式)。通常步進電機都有低頻振動的特點，通過細分調(diào)協(xié)可以改善電機低速動運行的平衡性。下面給大家詳細介紹一下：
1、整步驅(qū)動
在整步運行中，同一種步進電機既可配整/半步驅(qū)動器也可配細分驅(qū)動器，但運行效果不同。步進電機驅(qū)動器按脈沖/方向指令對兩相步進電機的兩個線圈循環(huán)激磁(即將線圈充電設(shè)定電流)，這種驅(qū)動方式的每個脈沖將使電機移動一個基本步距角，即1.80度 (標準兩相電機的一圈共有200個步距角)。
2、半步驅(qū)動
在單相激磁時，電機轉(zhuǎn)軸停至整步位置上，驅(qū)動器收到下一脈沖后，如給另一相激磁且保持原來相繼處在激磁狀態(tài)，則電機轉(zhuǎn)軸將移動半個步距角，停在相鄰兩個整步位置的中間。如此循環(huán)地對兩相線圈進行單相然后雙相激磁步進電機將以每個脈沖0.90度的半步方式轉(zhuǎn)動。和整步方式相比，半步方式具有精度高一倍和低速運行時振動較小的優(yōu)點，所以實際使用整/半步驅(qū)動器時一般選用半步模式。
3、細分驅(qū)動
細分驅(qū)動模式具有低速振動極小和定位精度高兩大優(yōu)點。對于有時需要低速運行(即電機轉(zhuǎn)軸有時工作在60rpm以下)或定位精度要求小于0.90度的步進應(yīng)用中，細分驅(qū)動器獲得廣泛應(yīng)用。
其基本原理是對電機的兩個線圈分別按正弦和余弦形的臺階進行精密電流控制，從而使得一個步距角的距離分成若干個細分步完成。例如十六細分的驅(qū)動方式可使每圈200標準步的步進電機達到每圈200*16=3200步的運行精度(即0.1125°)。
四、應(yīng)用中的注意點
1、步進電機應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。
2、步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。
3、轉(zhuǎn)動慣量大的負載應(yīng)選擇大機座號電機。
4、電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。
5、高精度時，應(yīng)通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數(shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少。
五、步進電機測試注意點
根據(jù)國標GB/T 20638-2006，對于步進電機的測試我們一般需要關(guān)注反電動勢常數(shù)、保持轉(zhuǎn)矩、繞組溫升、矩角特性測試、牽出轉(zhuǎn)矩、最高反轉(zhuǎn)頻率等測試。
對于反電動勢常數(shù)的測試，可以采用功率分析儀的測試方法直接在儀器上得出反電動勢常數(shù)。對于牽出轉(zhuǎn)矩的測試，對于大基座的步進電機，一般采用磁粉制動器和電機測試平臺來進行測試，小基座的步進電機采用彈簧秤和繩子的組合方法來測試。MPT電機測試系統(tǒng)目前針對步進電機的測試可以提供整體的測試方案和測試系統(tǒng)，幫助工程師快速完善研發(fā)設(shè)計的步進電機。
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