步进电机的控制原理.
通常电机的转子为永磁体,当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲,电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序,电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。
1.步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。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误差而无累积误差等特点。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。它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仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况,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、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
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/RN·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)感应子式步进电机
1、特点: 感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比,结构上转子加有永磁体,以提供软磁材料的工作点,而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能,因此该电机效率高,电流小,发热低。因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行,也可以作二相运行。(必须采用双极电压驱动),而反应式电机则不能如此。例如:四相,八相运行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C= ,D= . 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致,小功率电机一般直接接为二相,而功率大一点的电机,为了方便使用,灵活改变电机的动态特点,往往将其外部接线为八根引线(四相),这样使用时,既可以作四相电机使用,可以作二相电机绕组串联或并联使用。
2、分类 感应子式步进电机以相数可分为 :二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号(电机外径)可分为:42BYG(BYG为感应子式步进电机代号)、57BYG、86BYG、110BYG、(国际标准),而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。
3、步进电机的静态指标术语相数:产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示,或指电机转过一个齿距角所需脉冲数,以四相电机为例,有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角:对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度(转子齿数J*运行拍数),以常规二、四相,转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/(50*4)=1.8度(俗称整步),八拍运行时步距角为θ=360度/(50*8)=0.9度(俗称半步)。定位转矩:电机在不通电状态下,电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的)静转矩:电机在额定静态电作用下,电机不作旋转运动时,电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积(几何尺寸)的标准,与驱动电压及驱动电源等无关。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比,与定齿转子间的气隙有关,但过份采用减小气隙,增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的,这样会造成电机的发热及机械噪音。
步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。
永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度 或15度;
反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。
混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛,也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。
步进电机的一些基本参数:
电机固有步距角:
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°(表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°),这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’,它不一定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱动器有关。
步进电机的相数:
是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器,则‘相数’将变得没有意义,用户只需在驱动器上改变细分数,就可以改变步距角。
保持转矩(HOLDING TORQUE):
是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如,当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
DETENT TORQUE:
是指步进电机没有通电的情况下,定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式,容易使大家产生误解;由于反应式步进电机的转子不是永磁材料,所以它没有DETENT TORQUE。
步进电机的一些特点:
1.一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。
2.步进电机外表允许的最高温度。
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上,有的甚至高达摄氏200度以上,所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
3.步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。
4.步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。
步进电机有一个技术参数:空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。
步进电动机以其显著的特点,在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高,步进电机将会在更多的领域得到应用。
说简单一点,比如电机有4个绕组,电机的转子就相当于一个磁铁,走第一步时候给A绕组通电就产生磁场,转子在磁力作用下转动A处,第二步给B绕组通电其他都断电,那么同样转子就转到B处,就这样A、B、C、D不断循环,转子就会不断转动。
步进电机的工作原理
工作原理:通常电机的转子为永磁体,当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲,电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数...
步进电机的原理是什么及作
步进电机的工作原理基于电磁铁的作用原理,即将电脉冲信号转换成角位移或线位移的开环控制元件。步进电机是利用电磁学原理,将电能转换为机械能。电机中的绕组线圈在磁场中会受到力的作用,驱动电机的转子转动。步进电机的作用主要是将电脉冲信号转换成角位移或线位移。通过控制施加在电机线圈上的电脉冲顺序...
步进电机控制原理
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)感应子式步进电机 1、特点: 感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比,结构上转子加有永磁体,以提供软磁材料的工作点,而定子...
步进电机原理及使用说明
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角)。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,达到准确定位的目的。同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,达到调速的目的。步进电机使用说明:步进电...
步进电机的种类及其基本原理?
步进电机按照运行原理分为三种:反应式、永磁式和混合式。反应式步进电机:一般也称作磁阻式步进电机,定子上有绕组、转子由软磁材料组成。定、转子铁芯形状为凸极式,由少量控制电流经励磁绕组向转子提供所需磁场。永磁式步进电机:也称作永磁同步电机,定子上有绕组、转子为永磁体。当定子励磁绕组有脉冲...
步进电机的原理是什么?
所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。2、发热原理通常见到的各类电机,内部都是有铁芯和绕组线圈的。绕组有电阻,通电会产生损耗,损耗大小与电阻和电流的平方成正比,这就是我们常说的铜损,如果电流不是标准的直流或正弦波,还会产生谐波损耗;铁心有磁滞涡流效应...
步进电机工作原理
步进电机工作原理如下:电机的转子为永磁体,当电流流过定子绕组时,定子绕组会产生对应的矢量磁场。由于同极互斥,该磁场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。如果定子生成的矢量磁场旋角度变了,那转子的角度也会随着该磁场的变化而变化。所以每输入一个电脉冲,电机就会...
步进电机的驱动原理是什么
步进电机是一种电机,它通过控制脉冲来实现精确的转动角度。它由一个旋转的磁铁和一个电路板组成。磁铁通过电路板控制,在脉冲信号的控制下转动。步进电机的驱动器通常是一个电路板,它可以接收脉冲信号并将其转化为电流输送到步进电机的电线上。当电流流过步进电机电线时,它会产生磁场,控制磁铁的转动。...
步进电机与伺服电机工作原理分别是什么?他们的异同点?
步进电机的工作原理是通过控制脉冲信号的个数来控制步进电机的转动角度。每个脉冲信号对应一个步距角,电机接收到的脉冲信号数量决定了其转动角度。步进电机控制系统一般由控制器、步进电机和驱动器组成。控制器发出脉冲信号,驱动器接收信号后将其转换成电信号,驱动步进电机转动。步进电机的工作流程包括步进...
永磁式步进电机的工作原理
永磁式步进电机的工作原理基于磁场和电流的相互作用。当给步进电机的某相绕组的电流通入或切断时,其磁场与转子磁场相互作用,改变转子的旋转方向或旋转速度。其工作原理如下:当A相绕组通电时,B相绕组和C相绕组不通电,根据左手定则,此时产生的磁场方向垂直于转子表面,使转子逆时针方向旋转。当B相绕组...
衅韵兰迪: 步进电机主要按一定的给电规律,给对应的绕组响应的电信号,电机将按一定的方向运行,而且每改变一次电信号电机将运行一步,如果连续给出响应电信号,电机将连续运行,只要改变电信号的频率,将获得不同的运行速度. 1. 如果用步...
冠县15373437455: 步进电机的原理是什么?是根据什么运行? - ?
衅韵兰迪: 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件.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,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定...
冠县15373437455: 步进电机驱动器的原理是什么? - ?
衅韵兰迪: 步进电机在控制系统中具有广泛的应用.它可以把脉冲信号转换成角位移,并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等. 步进电机驱动器选型指南 一、步进电机驱动器工作模式分类 步进电机驱动模式基本有三种:整步、半步、细...
冠县15373437455: 步进电机是什么原理,有何用? - ?
衅韵兰迪: 当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的.可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的.
冠县15373437455: 步进电机是由什么来控制的? - ?
衅韵兰迪: 是步进电机的驱动器控制的.步进电机驱动器细分的主要作用是提高步进电机的精确率. 通常细分有2,4,8,16,32,62,128,256,512.... 在国外,对于步进系统,主要采用二相混合式步进电机及相应的细分驱动器.但在国内,广大用户对“细分”还...
冠县15373437455: 步进电机如何控制? - ?
衅韵兰迪: 步进电机原理说明 1.步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件.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...
冠县15373437455: 步进电动机的原理 - ?
衅韵兰迪: 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件.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...
冠县15373437455: 发电机中步进电机的工作原理 - ?
衅韵兰迪: 通常电机的转子为永磁体,当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场.该磁场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致.当定子的矢量磁场旋转一个角度.转子也随着该磁场转一个角度.每输入一个电脉冲,电动机转动一个角度前进一步.它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比.改变绕组通电的顺序,电机就会反转.所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动.
冠县15373437455: 电脑直接控制步进电机(电脑控制步进电机方法) ?
衅韵兰迪: 电脑控制步进电机方法工具/原料more1、电源:选用直流24V的开关电源,供控制器使用,或者与步进电机共用一个开关电源. 2、步进电机:根据需要的扭矩大小,选择...
冠县15373437455: 步进电机的工作原理 - ?
衅韵兰迪: 当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场.该磁场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致.当定子的矢量磁场旋转一个角度.转子也随着该磁场转一个角度.每输入一个电脉冲,电动机转动一个角度前进一步.它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比.改变绕组通电的顺序,电机就会反转.所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动.