一、前言
步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，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、位置等控制領域用步進電機來控制變得非常的簡單。
雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機、交流電機在常規下使用。步進電機必須由脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機并非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。
目前,生產步進電機的廠家的確不少，但具有專業技術人員，能夠自行開發，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家處于一種盲目的仿制階段，這就給用戶在產品選型、使用中造成許多麻煩。鑒于上述情況，我們在此敘述步進電機的基本工作原理，望能對廣大用戶在選型、使用、及整機改進時有所幫助。
永磁式（PM型）步進電機具有噪音小，出力大,動態性能好的特點;目前使用的數量為HB型的3倍以上，其使用量有逐年增加的趨勢；但步距角一般比較大。
永磁式（PM型）步進電機轉子為內轉子型(外部為定子，中間為氣隙的電機)，圓柱形轉子的外表面分布n、s極(外表面無齒)。 兩相PM型爪極步進電機的結構如圖2．11所示．定子相繞組是軸向放置，這種相繞組安裝方式稱為從屬型結構。
轉子為圓柱形永久磁鐵，其中心安裝了輸出軸。圓柱形永久磁鐵的圓周外表面交替分布著n極和s極，極對數為nr，n、s極等極距。其轉子磁極通過氣隙，對著定子磁極。定子磁極依其形狀稱為爪極(clawpo1e)，用導磁鋼板沖壓成型，形成nr個爪極。兩個定子極板其磁極交互安放，相差1／2極距．共2nr個與轉子磁極數2nr相對應，形成一相定子。
定子相繞組繞在圓形骨架上，繞制成環狀線圈。定子上的兩節定子磁路相同，其相鄰磁極相差1／4極距，即偏差90/nr。兩轉子磁極對應一致。
定子為爪極型的步進電機，氣隙為o．2mm, 決定步距角的分辨率θs=90／nr。若nr=5～12，則步距角θs為1．8～7 5，通常使用7．5。 圖2.12所示為PM型步進電機的外觀。
兩相PM型爪極步進電機的工作原理見圖2.14。實際的兩相PM型爪極步進電機如圖2.11所示，設計的多極nr=12，此時定子的爪極數每相有12對極。為簡化原理便于理解，圖2．14將一相簡化成一對極。對比圖2.11和圖2．14，實際的兩相步進電機兩相繞組同時激磁，通常作2相激磁驅動，為說明和理解容易，簡化為一相激磁狀態的說明，一相激磁如能驅動轉子旋轉，兩相激磁肯定也能運轉。
如圖2．14所示，stl、st2為定子的兩相繞組，各線圈如圖所示方向繞制。rt為轉子，采用釹鐵硼磁鐵構成，n、s極分布在轉子外表面，與定子極之間形成工作氣隙。由圖知道，一相線圈激磁一對定子磁極，轉子極對數與定子極對數的節距相同，相鄰轉子的s極與n極必定相互吸引，產生電磁力。
第一步，圖2．14(a)為l相線圈激磁圖，轉子與定子stl的磁極互相異性相吸。如果此時施加外力，轉子會帶著負載移動，電磁力會產生圖2．14(a)所示位置的恢復力，負載力的大小決定了位置精度。此時，2相定子st2的磁極中心線在轉子磁極n、s極的中間位置，2相定子與轉子磁極中心線相差π／2，此位移角為一個步距角。
第二步，圖2．14(b)中，stl的線圈電流為off，st2的線圈電流變成on．轉子向右移動π／2，轉子被st2吸引而停止。
第三步，圖2．14(c)中，stl的線圈電流反向通電，定子極性反轉，轉子再旋轉π／2后靜止。
第四步，圖2 14(d)中，st2的線圈電流反向通電．定子極性反轉，轉子再旋轉π／2后靜止。
再返回圖2．14(a)，依次(b)、(c)、(d)反復循環，不斷旋轉。以上為兩相PM型爪極步進電機的運行原理。
根據以上敘述,一個步距角轉子磁極極距的l／2，走4步為一個循環。步距角由轉子的極數來決定，定子的極數對轉矩的增加有影響。當然，此型步進電機有單極(uni-polar)型和雙極(b1一polar)型，均伴隨定子磁極磁化而旋轉，反轉亦相同。
三、反應式（VR型)步進電機原理
1、結構：
電機轉子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。
0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3て，C與齒3向右錯開2/3て，A’與齒5相對齊，（A’就是A，齒5就是齒1）下面是定轉子的展開圖：
2、旋轉：
如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉子不受任何力以下均同）。
如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。
如C相通電，A，B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。
如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉子又向右移過1/3て，這樣經過A、B、C、A分別通電狀態，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉。如按A，C，B，A……通電，電機就反轉。
由此可見：電機的位置和速度由導電次數（脈沖數）和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。
不過，出于對力矩、平穩、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導電狀態，這樣將原來每步1/3て改變為1/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變為1/12て，1/24て，這就是電機細分驅動的基本理論依據。
不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制——這是步進電機旋轉的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。
3、力矩：
電機一旦通電，在定轉子間將產生磁場（磁通量Ф）當轉子與定子錯開一定角度產生力
F與（dФ/dθ）成正比
其磁通量Ф=Br*S
Br為磁密，S為導磁面積
F與L*D*Br成正比
L為鐵芯有效長度，D為轉子直徑
Br=N·I/R
N·I為勵磁繞阻安匝數（電流乘匝數）R為磁阻。
力矩=力*半徑
力矩與電機有效體積*安匝數*磁密成正比（只考慮線性狀態）
因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。
四、混合式（HB型）步進電機原理
1兩相混合式步進電機的結構
工業控制中采用如圖4.1所示的定子磁極上帶有小齒，轉子齒數很多的結構，其步距角可以做得很小。如圖4.1兩相混合式步進電動機的結構圖，和圖4.2步進電機繞組接線圖，A、B兩相繞組沿徑向分相，沿著定子圓周有8個凸出的磁極，1、3、5、7磁極屬于A相繞組，2、4、6、8磁極屬于B相繞組，定子每個極面上有5個齒，極身上有控制繞組。轉子由環形磁鋼和兩端鐵芯組成，環形磁鋼在轉子中部，軸向充磁，兩段鐵芯分別裝在磁鋼的兩端，使得轉子軸向分為兩個磁極。轉子鐵芯上均勻分布50個齒，兩段鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距，定轉子的齒距和齒寬相同。
2兩相混合式步進電機的工作原理
當兩相控制繞組按  的次序輪流通電，每拍只有一相繞組通電，四拍構成一個循環。當控制繞組有電流通過時，便產生磁動勢，它與永久磁鋼產生的磁動勢相互作用，產生電磁轉矩，使轉子產生步進運動。
當A相繞組通電時，在轉子N極端磁極1上的繞組產生的S磁極吸引轉子N極，使得磁極1下是齒對齒，磁力線由轉子N極指向磁極1的齒面，磁極5下也是齒對齒，磁極3和7是齒對槽，如圖4.4所示A相通電轉子N極端定轉子平衡圖。由于兩段轉子鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距，在轉子S極端，磁極1’和5’產生的S極磁場，排斥轉子S極，與轉子正好是齒對槽，磁極3’和7’齒面產生N極磁場，吸引轉子S極，使得齒對齒。A相繞組通電時轉子N極端、S極端轉子平衡圖如圖4.3。
因轉子上共有50個齒，其齒距角為360°/50=7.2°，定子每個極距所占的齒數為不是整數，因此當定子的A相通電，在轉子N極，磁極1的5個齒與轉子齒對齒，旁邊的B相繞組的磁極2的5個齒和轉子齒有1/4齒距的錯位，即1.8°，如圖4.4所示A相通電時定轉子齒展開圖畫圓圈的地方，A相磁極3的齒和轉子就會錯位3.6°，實現齒對槽了。磁力線是沿轉子N端→A（1）S磁極→導磁環→A（3’）N磁極→轉子S端→轉子N端，成一閉合曲線。當A相斷電B相通電時，磁極2產生N極性，吸合離它最近的S極轉子7齒，使得轉子沿順時針方向轉動1.8°，實現磁極2和轉子齒對齒，B相繞組通電定轉子齒展開圖如圖4.5所示，此時磁極3和轉子齒有1/4齒距的錯位。依次類推若繼續按四拍的順序通電，轉子就按順時針方向一步一步地轉動，每通電一次即每來一個脈沖轉子轉過1.8°，即稱步距角為1.8°，轉子轉過一圈需360°/1.8°=200個脈沖（見圖4.4、4.5）。
在轉子S極端也是同樣道理，當繞組齒對齒時，其旁邊一相磁極錯位1.8°。
|
常州寶來電器有限公司 2002-2019 All rights reserved 
電話咨詢