步進電機基本原理講解.doc

步進電機基本原理電機將電能轉換成機械能，步進電機將電脈沖轉換成特定的旋轉運動。每個脈沖所產生的運動是精確的，并可重復，這就是步進電機為什么在定位應用中如此有效的原因。永磁步進電機包括一個永磁轉子、線圈繞組和導磁定子。激勵一個線圈繞組將產生一個電磁場，分為北極和南極，見圖1所示。定子產生的磁場使轉子轉動到與定子磁場對直。通過改變定子線圈的通電順序可使電機轉子產生連續(xù)的旋轉運動。圖2顯示了一個兩相電機的典型的步進順序。在第1步中，兩相定子的A相通電，因異性相吸，其磁場將轉子固定在圖示位置。當A相關閉、B相通電時，轉子順時針旋轉90。在第3步中，B相關閉、A相通電，但極性與第1步相反，這促使轉子再次旋轉90。在第4步中，A相關閉、B相通電，極性與第2步相反。重復該順序促使轉子按90的步距角順時針旋轉。圖2中顯示的步進順序稱為“單相激勵”步進。更常用的步進方法是“雙相激勵”，其中電機的兩相一直通電。但是，一次只能轉換一相的極性，見圖3所示。兩相步進時，轉子與定子兩相之間的軸線處對直。由于兩相一直通電，本方法比“單相通電”步進多提供了41.1%的力矩，但輸入功率卻為2倍。半步步進電機也可在轉換相位之間插入一個關閉狀態(tài)而走“半步”。這將步進電機的整個步距角一分為二。例如，一個90的步進電機將每半步移動45，見圖4。但是，與“兩相通電”相比，半步進通常導致15%30%的力矩損失（取決于步進速率）。在每交換半步的過程中，由于其中一個繞組沒有通電，所以作用在轉子上的電磁力要小，造成了力矩的凈損失。雙極性繞組雙相激勵介紹了利用一種“雙極性線圈繞組”的方法。每相用一個繞組，通過將繞組中電流反向，電磁極性被反向。典型的兩相雙極驅動的輸出步驟在電氣原理圖和圖5中的步進順序中進一步闡述。按圖所示，轉換只利用繞組簡單地改變電流的方向，就能改變該組的極性。單極性繞組另一常用繞組是單極性繞組。其一個電極上有兩個繞組，這種聯接方式為當一個繞組通電時，產生一個北極磁場；另一個繞組通電，則產生一個南極磁場。因為從驅動器到線圈的電流不會反向，所以可稱其為單極繞組。該步進順序見圖6所示。該設計使得電子驅動器簡單化。但是，與雙極性繞組相比，其力矩大約少30%，因為勵磁線圈僅被利用了一半。共振由于電機是一個彈性體系統，所以步進電機有一個固有諧振頻率。當步進速率等于電機的固有頻率時，電機可能會產生聽得見的噪音變化，同時振動增加。共振點將隨應用場合和負載而變化，但共振點通常出現在70120步/秒之間的某一位置。在嚴重情況下，電機在振蕩點附近可能會失步。改變步進速率是避免系統中與共振有關的許多問題的最簡單的方式。另外，半步或微步驅動通常也可以減少共振問題。當加減速時，要盡可能快地越過共振區(qū)。力矩一個特定的旋轉步進電機所產生的力矩是下述參數的函數： 步進速率 通過繞組的電流 所使用的驅動器的種類（直線電機所產生的力也取決于這些因素。）力矩是摩擦力矩（Tf）和慣性力矩（Ti）之和。T=Tf+Ti摩擦力矩（oz-in或g-cm）為所要求移動一個載荷的力（單位為oz或g）乘上用于驅動載荷的力桿臂（r）的長度（單位為了in或cm）（見圖8所示）。Tf=F.r慣性力矩（Ti）為所要求用于加速負載（單位為：g-cm2）的力矩。 Ti=I(/t)K其中：慣量，單位：g-cm2步進速率，單位：步數秒t時間，單位：秒步距角度，單位：度常數：97.73應該注意到的是：當電機的步進速率增加時，電機的反向電動勢（EMF）也增加。其限制了電流，并導致可使用的輸出力矩的減少。選擇適當的電機為了選擇適當的電機，必須考慮幾種因素。是要求線性運動還是要求旋轉運動？以下為選擇一個電機時應考慮的一些基本要求的清單。這將有助于確定是否要使用一個直線電機，還是要使用一個旋轉電機。旋轉電機直線電機要求多大力矩？要求多大力？工作周期是多少？工作周期是多少？所希望的步距角是多少？所希望的步進增量是多少？步進速率或轉速（RPM）是多少？ 步進速率或行程速度是多少？雙極性或單極性線圈？雙極性或單極性線圈？線圈電壓？線圈電壓？定位力距或保持力矩要求？斷電時螺桿須保持位置或可反向移動？是否有尺寸限制？是否有尺寸限制？所期望的壽命要求是多少？所期望的壽命要求是多少？工作環(huán)境溫度是多少？工作環(huán)境溫度是多少？滑動軸承或滾珠軸承？固定軸或貫通軸式？徑向載荷和軸向載荷？ 驅動器的類型？驅動器的類型？交流同步電機步進電機也可在交流（AC）下運行。但是，其中一相必須通過一個適當選擇的電容器而得電。在這種情況下，電機限制為僅有一個同步速度。例如，如果電源頻率為60赫茲，則電源有120次反向或變更。通過電容器通電的相位也按照偏移時間順序而產生相同數量的變更。電機已按相當于240步/秒的速率真正通電。對于1.8的旋轉電機，要求200個步長來完成一個旋轉（200SPR）。這就成了72轉/分（RPM）的同步電機。 對于直線電機，所產生的線性速度取決于電機每步的分辨率。例如，如果向0.001英寸/步的電機通60赫茲的電源，則所獲得的速度為0.240英寸/秒（240步/秒乘0.001英寸/步）。驅動器步進電機的運行需要有一些外部的電氣零件。這些零件通常有電源、邏輯程序器、開關元件和時鐘脈沖源，以確定步進速率。許多商用驅動器已經將這些零件組合成了一個整體。一些基本的驅動器設備僅有末級功率級，而沒有可以產生適當步進順序的電子控制器。雙極性驅動方式對于具有四根引線的兩相雙極性電機，這是非常普遍的驅動方式。在一個完整的驅動器/控制器中，電子元件交替地使每相電流反向。其步進順序見圖5所示。單極性驅動方式該驅動方式要求每相上具有一個中間抽頭（6根引線）的電機。與使每相中的電流反向不同的是，該驅動只需將電流從每相中的一個線圈轉換到另一個線圈（圖6）。通過繞組的改變使電機內部的磁場轉變方向。該方案用于簡單驅動，但每次僅利用了繞組的一半。與相當的雙極性電機相比，這使旋轉電機產生的力矩或直線電機產生的力大約低了30%。L/R驅動方式這種類型的驅動也可稱為恒壓驅動。大多數的這類驅動器可以配置成運行雙極性或單極性步進電機。L/R代表電感（L）與電阻（R）之間的電氣關系。電機線圈阻抗與步進速率之比由這些參數所確定。L/R驅動器應將電源輸出電壓與電機線圈額定電壓相匹配，以適應連續(xù)負載工作。許多已經公布的電機性能曲線是以施加在電機引線上滿載額定電壓為基礎的。電源輸出電壓級別必須設置到足夠高，以補償驅動器電路內部的電壓降失，以達到最佳的連續(xù)運行。大多數步進電機的性能水平在短時工作制下可以通過增加所施加的電壓來加以提高。這通常稱為“過度驅動”電機。當過度驅動一個電機時，工作周期中必須有足夠的定期斷電時間（不施加電源），以防止電機溫升超過允許范圍。斬波驅動方式斬波驅動方式允許步進電機在較高的速度下維持比L/R驅動方式更大的力矩或力。斬波驅動器是一個恒定電流驅動器，通常為雙極性類型。斬波驅動器是通過快速接通和關閉（斷路）輸出電源，以控制電機電流而得名的。對于該設置，可以使用低阻抗電機線圈和最大電源電壓，此時，驅動器將傳遞最佳性能。作為一般原則，為獲取最佳性能，電源和額定電機電壓之間所推薦的比率為8:1。在本目錄中作性能曲線時使用了8:1的比率。微步驅動方式許多雙極性驅動器擁有微步進的功能。微步進是以電子方式將一個整步長分成較小的步長。例如，一個直線電機的一個步長為0.001英寸，將其驅動到每步具有10個微步，這樣，一個微步將為0.0001英寸。微步有效地減少了電機的步進增量。但是，與一個全步長的精確度相比，每個微步的精確度具有更大的百分比誤差。和全步長一樣，微小步進的增量誤差也是非累積的。在大部分情況下，微步驅動的目的是為了減弱或消除步進電機的低步振動。疲勞/壽命適當應用時，HSI的直線電機可提供多達2千萬次的循環(huán)，HSI的旋轉電機可提供長達25,000小時的運行。電機最終的疲勞和綜合壽命由每個用戶的具體應用情況決定。下述定義對理解電機壽命和疲勞是重要的。連續(xù)工作制：在額定電壓下連續(xù)運行電機。25%工作制：在L/R驅動上以雙倍的額定電壓運行電機，電機通電時間大約為25%。電機產生的輸出比在額定電壓下運行大約要多60%。注意，工作周期與施加在電機上的負載無關。壽命：直線電機的壽命為電機能在指定的負載下運動，并維持步進精確度的循環(huán)次數。旋轉電機的壽命為工作小時數。一個周期：直線電機的一個周期包括伸出以及縮回到初始位置的整個動作。對于如何選擇適當的電機并確保其最長壽命，有一些通用的準則?；旧?，如要在一個給定的系統中確定一個步進電機的性能，最好在“現場條件”下，或在緊密接近這些條件的場合中進行最終組裝測試。由于步進電機沒有電刷所產生的磨損，所以其壽命通常超過了該系統中的其它機械零件。如果步進電機失效，則其可能與某些零件有關。軸承和導向螺桿/螺母接合處通常是要經受疲勞的首要零件（在直線電機中）。所要求的力矩或推力以及工作環(huán)境是影響這些電機零件的因素。如果電機在其額定力矩或推力下，或接近其額定力矩或推力下運行，則其壽命將受到影響。HSI的測試表明電機壽命隨工作負載的降低降低而呈指數增加。一般而言，電機應設計成在其最大負載能力的40%60%下運行。一些環(huán)境因素，如高濕度、暴露于苛性化學制品中、大量的污垢/碎片以及熱量，都會影響電機的壽命。組裝中一些機械因素，如直線電機中軸的側向負載或旋轉電機中的不平衡負載等，也將對電機壽命造成不利影響。如果在短時工作制下使用電機，并向電機施加過度的電壓，則“通電”時間應保證其溫升不超過電機的最大溫升。如果電機沒有足夠的“斷電”時間，將會產生太多的熱量，以致繞組過熱，最終導致電機失效。設計一個能將這些因素降低到最小的系統將確保電機的最大壽命。將壽命最大化的第一步是選擇一個安全系數為2或更大的電機。第二步是通過將側向負載、不平衡的負載和沖擊載荷降低到最小來保證系統具有良好的機械性能。該系統也應消散熱量。對于有散熱裝置的電機或設備來說，周圍的氣流通常是主要的散熱方式。如果系統中存在苛性化學品，則必須對電機和其它所有零件加以防護。最后，在“現場條件”下測試電機及其組件將確保應用的適當性。如果遵守了這些準則，HSI直線電機將在廣泛的領域內提供可靠的操作。如果您在設計上需要幫助，HSI的應用工程師將幫助您在我們的電機上獲得最大的壽命和最佳的性能?？偨Y多年來，步進電機一直被許多領域所使用，隨著小型化、計算機控制和降低成本的趨勢，“混合式”步進電機的使用正日益廣泛。特別是近年來，直線電機的使用已經迅速地擴大，在許多領域都能發(fā)現這些精密、可靠的電機，包括血液分析儀和其它醫(yī)療儀器、舞臺自動化照明、成像設備、HVAC設備、閥門控制、印刷設備、X-Y平臺、集成芯片制造、檢驗和試驗設備。這些頗具吸引力的技術便利大量零件不再需要，而且還削減了與組裝、采購、庫存等相關的費用。設計師所能想到的地方就是這些電機的用武之地。術語定位或剩余力矩：在沒有電流通過繞組時，能使電機的輸出軸旋轉所需施加的力矩。驅動器：一個通過控制外部電氣零件來運行步進電機的裝置。這包括電源、邏輯程序器、開關元件以及一個確定步進速率的變頻脈沖源。動態(tài)力矩：在一定步進速率下電機所產生的力矩。動態(tài)力矩可由PULL IN（牽入）力矩或PULL OUT（牽出）力矩所表示。保持力矩：繞組在通以穩(wěn)態(tài)直流電時，能使電機的輸出軸旋轉所要求的力矩。慣性：物體對加速或減速的慣性測量值。通常用于指電機所移動負載的慣性，或電機轉子的慣性。線性步進增量：轉子每旋轉一個步距角導向螺桿所產生的線性行程。每秒脈沖數（PPS）：電機在一秒鐘內所產生的步數（有時稱為“步數/秒”）。這由電機驅動器所產生的脈沖頻率所決定。升降速：在電機不失步的情況下，將給定負荷從原有的低步進速率增加至最大，接著再降低至原有速率的一種驅動技術。單一步進