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步进电机的控制原理

日期:2016-01-11    共阅[ ] 次

 步进电机作为装备中的执行元件,是机电一体化领域中的关键产品之一广泛应用各种自动化控制设备系统中。随着社会进步发展,微电子系统计算机科学与技术不断发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有广泛的应用。 


步进电机其实是一种电脉冲势能转化成为角位移执行设备机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按照我们原先设定的一个方向转动一个固定的角度(我们步距角”),它的旋转其实是以一个固定的角度一步一步运行的。我们可以通过发送控制脉冲个数从而来控制其步距角位移量,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。反应式步进电机转子磁路软磁材料制成,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退磁点;一般来讲,磁性材料退磁点都在摄氏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。