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详细解读步进电机工作原理
中国传动设备网 时间:2014-05-11 信息来源:中国传动设备网

详细解读步进电机工作原理:

电机类型品种多样,其中将电脉冲信号转变为角位移,弧长或线位移的开环机械控制装置,由电能转换成角度旋转机械运动,这是步进电机基本工作原理。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的单步误差和累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机、交流电机在常规下使用。步进电机必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械电机、电子及计算机等许多专业知识。

目前,生产步进电机的厂家的确不少,但具有专业技术人员,能够自行开发,研制的厂家却非常少,大部分的厂家只一、二十人,连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的组装仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。鉴于上述情况,我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。

二、永磁感应子式步进电机工作原理

(一)反应式步进电机原理

由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。

1、结构: 电机转子均匀分布着很多小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3て、2/3て,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示),即A与齿1相对齐,B与齿2向右错开1/3て,C与齿3向右错开2/3て,A''与齿5相对齐,(A''就是A,齿5就是齿1)下面是定转子的展开图:

 

2、旋转:

      如A相通电,B,C相不通电时,由于磁场作用,齿1与A对齐,(转子不受任何力以下均同)。

如B相通电,A,C相不通电时,齿2应与B对齐,此时转子向右移过1/3て,此时齿3与C偏移为1/3て,齿4与A偏移(て-1/3て)=2/3て。

如C相通电,A,B相不通电,齿3应与C对齐,此时转子又向右移过1/3て,此时齿4与A偏移为1/3て对齐。

如A相通电,B,C相不通电,齿4与A对齐,转子又向右移过1/3て 这样经过A、B、C、A分别通电状态,齿4(即齿1前一齿)移到A相,电机转子向右转过一个齿距,如果不断地按A,B,C,A……通电,电机就每步(每脉冲)1/3て,向右旋转。如按A,C,B,A……通电,电机就反转。

由此可见:电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过,出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态,这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合,使其1/3て变为1/12て,1/24て,这就是电机细分驱动的基本理论依据。

不难推出:电机定子上有m相励磁绕阻,其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机,出于成本等多方面考虑,市场上一般以二、三、四、五相为多。   

3、力矩:

     电机一旦通电,在定转子间将产生磁场(磁通量Ф)当转子与定子错开一定角度产生力

F与(dФ/dθ)成正比

S

其磁通量Ф=Br*S  

Br为磁密,S为导磁面积      

              F与L*D*Br成正比

              L为铁芯有效长度,D为转子直径

              Br=N·I/R

N·I为励磁绕阻安匝数(电流乘匝数)R为磁阻。

力矩=力*半径

力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比(只考虑线性状态)

因此,电机有效体积越大,励磁安匝数越大,定转子间气隙越小,电机力矩越大,反之亦然。

(二)永磁感应子式步进电机的工作原理。

下面以二、四相感应子式步进电机为例子:

1、结构:

电机定子有四个励磁绕阻,转子均匀分布着很多小齿,并加有永磁体使转子轴向分布若干对N-S齿极,且N、S齿极互相错开1/2τ(τ为相邻两转子齿轴线间的距离,即齿距)。定转子齿几何轴线依次向左错开:0、1/4τ、2/4τ、3/4τ。以下为四相电机定、转子展开后的工作原理图(见图1)。

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