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什么是步進電機-步進電機工作原理是什么及驱动方法-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2017-12-29 

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步進電機

步進電機又称脉冲电机,它是一种感应电机,涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步進電機作为执行元件,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,步進電機的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用。


什么是步進電機

步進電機是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。其将电脉冲信号转变为角位移或线位移,是现代数字程序控制系统中的主要执行元件,应用极为广泛。

步進電機工作原理

步進電機控制系统由步進電機控制器、步進電機驱动器、步進電機三部分组成,步進電機控制器是指挥中心,它发出信号脉冲给步進電機驱动器,而步進電機驱动器把接收到信号脉冲脉冲转化为电脉冲,驱动步進電機转动,控制器每发出一个信号脉冲,步進電機就旋转一个角度,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。控制器可以通过控制脉冲数量来控制步進電機的旋转角度,从而准确定位。通过控制脉冲频率精确控制步進電機的旋转速度。


步進電機的结构及工作原理

通常電機的轉子爲永磁體,當電流流過定子繞組時,定子繞組産生一矢量磁場。該磁場會帶動轉子旋轉一角度,使得轉子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉一個角度。轉子也隨著該磁場轉一個角度。


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進電機的转动。

我们一般用的步進電機是这样的:

步進電機工作原理

結構圖一般是這樣的:

步進電機工作原理

那么这个AC,BD代表什么呢?步進電機又为什么具有以上的那些特点呢?这就要从步進電機的特殊结构说起。先上一个步進電機内部的结构示意图:

步進電機工作原理

先从这个简单的图分析原理,图中有两组绕组A A-,B B-,可以看出他们分别形成的磁场是相反的,位置也是相对的。这2组绕组对应真实图中的AC和BD。


定子为铁芯,A A-,B B-绕在铁芯上,通电之后产生磁场变成电磁铁,轉子为永磁体,磁场将对转自产生吸引或者排斥。


左上图A A-吸引轉子,使得轉子竖直(此时只有A A-通电)当B B-也通电后,B B-也产生磁场,此时转自将像A B中间区域偏转,具体偏转角度跟A B上电流大小比例有关。


左下图此时A A-断电,B B-继续通电,则轉子被吸引到水平位置。


右下图此时A A-反向通电,B B-继续通电,则转自顺时针旋转,重复以上过程,则轉子可以进行旋转运动,并控制通电的时机以及顺序,便可以达到控制步進電機旋转角度。


定子鐵心:定子鐵心为凸极结构,由硅钢片迭压而成。在面向气隙的定子鐵心表面有齿距相等的小齿。

步進電機工作原理

定子繞組:定子每極上套有一個集中繞組,相對兩極的繞組串聯構成一相。步進電動機可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。

步進電機工作原理

轉子:轉子上只有齿槽没有绕组,系统工作要求不同,轉子齿数也不同。定轉子齿形相同。


原理

当步進電機切换一次定子繞組的激磁电流时,轉子就旋转一个固定角度即步距角。步距角一般由切换的相电流产生的旋转力矩得到,所以需要每相极数是偶数。步進電機通常都为两相以上的,当然也有一些特殊的只有一个线圈的单相步進電機。虽说单相,实为一个线圈产生的磁通方向交互反转而驱动轉子转动。实用的步進電機的相数有单相、两相、三相、四相、五相。


现在使用的步進電機大部分用永磁轉子。普遍使用永久磁铁的原因是效率高,分辨率高等优点。以下以介绍永磁轉子为主。


決定步距角的因素

步進電機分辨率(一圈的步数,360°除以步距角)越高,位置精度越高。为了得到高分辨率,设计的极数要多。PM型轉子为N与S极在轉子的铁心外表面上交互等节距放置,轉子极数为N极与S极数之和,为简化讲解,假设极对数为1。此处确定轉子为永久磁铁的步進電機的步距角θs由下式表示,其中Nr为轉子极对数,P为定子相数,θs=180°/PNr上式的物理含义如下:

轉子旋转一周的机械角度为360。,如用极数2Nr去除,相当于一个极所占的机械角度即180°/Nr。这就是说,一个极的机械角度用定子相数去分割就得到步距角,此概念如下图所示。


由式θs=180°/PNr可知,步距角越小,分辨率越高,因此要提高步進電機的分辨率,就要增加轉子极对数或采用定子相数P较多的多相式方法。而Nr的增加受到机械加工的限制,所以要制造高分辨率的步進電機需要两种方法并用才行。 公式如下:


步進電機工作原理


驅動器原理

步進電機需要使用专用的步進電機驱动器驱动,驱动器由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。功率驱动单元将脉冲发生控制单元生成的脉冲放大,与步進電機直接耦合,属于步進電機与微控制器的功率接口。



步進電機工作原理

控制指令单元,接收脉冲与方向信号,对应的脉冲发生控制单元对应生成一组相应相数的脉冲,经过功率驱动单元后送到步進電機,步進電機在对应方向上转过一个步距角。  驱动器的脉冲给定方式决定了步進電機运行方式,如下:


(1)m相單m拍運行

(2)m相雙m拍運行

(3)m相單、雙m拍運行

(4)細分驅動,需要驅動器給出不同幅值的驅動信號


步進電機有一些重要的技术数据,如最大静转矩、起动频率、运行频率等。一般来说步距角越小,电机最大静转矩越大,则起动频率和运行频率越高,所以运行方式中强调了细分驱动技术,该方式提高了步進電機的转动力矩和分辨率,完全消除了电机的低频振荡。所以细分驱动器驱动性能优与其他类型驱动器。


步進電機的种类

目前常用的有三种步進電機

(1)反应式步進電機(VR)。反应式步進電機结构简单,生产成本低,步距角小;但动态性能差。


(2)永磁式步進電機(PM)。永磁式步進電機出力大,动态性能好;但步距角大。


(3)混合式步進電機(HB)。混合式步進電機综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点,它的步距角小,出力大,动态性能好,是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。


反应式步進電機

反应式步進電機(VR),是一种传统的步進電機,由磁性轉子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动。


反应式步進電機工作原理比较简单,轉子上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轉子齿轴线错开。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。


永磁步進電機

永磁式步進電機(PM),是由磁性轉子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动的一种设备。


永磁式步進電機一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度或15度,对7.5度步矩而言,典型的极数为24。电机里有轉子和定子两部分:可以是定子是线圈,轉子是永磁铁;也可以是定子是永磁铁,轉子是线圈。


在这种电机里,定子齿或爪极由在定子线圈里流过的电流产生不同极性的磁场。若两个定子段里的轉子磁化状态是对齐的,则两段里的定子齿将错开l/4齿距。观看A段里轉子磁极和定子齿的位置关系。因为B段里的定子齿相对A段里的齿错开l/4齿距,故轉子将在同一方向进一步受到驱动。


比如当电机的轉子为永磁体,电流流过定子繞組时,定子繞組会产生一矢量磁场。磁场就会带动轉子旋转一个角度,使得轉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。


轉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。若改变绕组通电的顺序,电机就会反转。因此可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步進電機的转动。


当电流流过定子繞組时,定子繞組产生一矢量磁场。该磁场会带动轉子旋转一角度,使得轉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。轉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進電機的转动。


混合式步進電機

混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相、三相和五相:两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度,混合式步進電機随着相数(通电绕组数)的增加,步进角减小,精度提高,这种步進電機的应用最为广泛。


性能:


a. 控制精度:步進電機的相数和拍数越多,它的精确度就越高。


b. 低频特性:步進電機在低速时易出现低频振动现象,当它工作在低速时一般采用阻尼技术或细分技术来克服低频振动现象。


c. 矩频特性:步進電機输出力矩随转速的升高而下降,高速时会急剧下降。


d. 过载能力:步進電機不具备过载能力。


e. 运行性能:步進電機的控制为开环控制,启动频率过高或负载过大易丢步或堵转的现象,停止时转速过高易出现过冲现象。


f. 速度响应性能:步進電機从静止加速到工作转速需要上百毫秒。


步進電機和伺服电机的区别

上面介绍那么多关于步進電機的知识,大家是不是感觉跟我们前几期介绍过的伺服电机功能上是否很相似呢,这里小编为您答疑解惑。


步進電機是一种离散运动的装置,它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中,步進電機的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现,交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。


为了适应数字控制的发展趋势,运动控制系统中大多采用步進電機或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在位置控制方式上十分相似(脉冲串和方向信号),但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。


步進電機的一些应用

1、包裝機械中的應用

步進電機控制齿轮泵也可以实现精确计量。齿轮泵在输送粘稠体方面得到了广泛的应用,例如糖浆、豆沙、白酒、油料、番茄酱等的输送。


齿轮泵计量是靠一对齿轮啮合转动计量的,物料通过齿与齿的空间被强制从进料口送到出料口。动力来自步進電機,步進電機转动的位置及速度由可编程控制器控制,计量精度高于活塞泵的计量精度。


步進電機适于在低速下运行,当速度加快时,步進電機的噪声会明显加大,其它经济指标会显著下降。对于转速比较高的齿轮泵来说,选用升速结构比较好。我们在粘稠体包装机上开始采用的是步進電機直联齿轮泵的结构,结果噪声难以避免,可靠性下降。


后来采用直齿轮升速的办法,降低了步進電機的速度,噪声得到了控制,可靠性也有所提高,计量度得到了保证。


在制袋、充填、封口为一体的包装机中,要求包装用塑料薄膜定位定长供给,无论间歇供给还是连续供给,都可以用步進電機来可靠完成。采用步進電機与拉带滚轮直接连接拉带,不仅结构得到了简化,而且调节极为方便,只要通过控制面板上的按钮就可以实现,这样既节省了调节时间,又节约了包装材料。


在间歇式包装机中,包装材料的供送控制可以采用两种模式:袋长控制模式和色标控制模式 。袋长控制模式适用于不带色标的包装膜,通过预先设定步進電機转速的方法实现,转空比的设定通过拨码开关就可以实现。


步進電機工作原理


色标模式配备有光电开关,光电开关检测色标的位置,当检测到色标时,发出控制开关信号,步進電機接到信号后,停止转动,延时一定时间后,再转动供膜,周而复始,保证按照色标的位置定长供膜。


横封轮每转一周的总时间与横封所需要的时间都是恒定的,要满足速度同步的要求,可以将步進電機一周内的转速分成两部分,一部分首先满足速度同步的要求,而另外空载的部分满足一周总时间的要求。为了实现良好的封口质量,还可以通过步進電機对横封轮实现非衡速的控制模式,就是在横封的每一点上都实现速度同步。


2、礦井提升中的應用

由于步進電機独特的优点,步進電機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,加上步進電機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進電機来控制变的非常的简单。作为一种把数字电脉冲信号转换成机械角位移的机电元件。


步進電機具有控制简单,功率大,维护容易,定位精度高,可靠性好,体积小,骄动系统多达32种选择。并且价格低,无累积位置误差,可自锁,控制成本低等特点而得到广泛应用,再加上利用现在比较成熟的微机技术中单片机的应用控制。可以轻松实现自动控制,以上特点完全符合微拖的要求。并且可以实现矿井提升系统的自动控制,实现无人值守提升系统。


步進電機工作原理


矿井提升中步進電機的控制过程是这样的,首先提升机减速接近爬行阶段,速度降至3m/s左右时。由自动控制系统自动接通电磁阀。电磁阀杆在电磁力的作用下克服阀杆下端弹簧的弹力下移,使压缩空气由A腔进入B腔,通过减速器的空心轴进入气囊离合器。使微拖装置与主机连接起来。


当速度继续降至爬行速度时。通过控制电路切断主电动机动力制动电源,提升机改由步進電機拖动进行平稳的低速爬行。提升容器到达终点,进行卸载时,控制电路使电磁阀断电,步進電機与主机脱离,完成一次爬行过程,接下来进行下一周期的工作。通过改进,大大提高卸载时事故的发生率,提高煤矿生产的安全,并且为煤矿后来进行自动化生产建立基础。


3、汽車測試中的應用

許多汽車制動元件的檢測,例如液壓制動系中制動主缸助力器總成的檢測,氣壓制動系中氣制動閥的檢測,在測試系統中需要用到電機推動滾珠絲杠來模擬在實際汽車制動時踩下制動踏板進行制動的過程,滾珠絲杠推動主缸或者制動閥使其達到汽車制動時所需要的各種工作狀態,以便來測試各種性能。


而步進電機由于角位移与输入脉冲严格成正比关系,在其运动过程中没有累计误差,跟随性良好,因此选择步進電機是汽车制动元件测试系统中性能较好的执行元件。系统硬件组成有位移传感器,力传感器,步進電機;控制核心采用工控机和数据采集卡。


步進電機通过联轴器驱动滚珠丝杠组成加力装置,力传感器安装在丝杠顶杆前端,用于测量步進電機输出力矩“被测试件输入力”的大小,数据经由A/D转换送工控机处理,工控机控制步進電機的启动、前进、后退、停止,并按测试程序控制前进和后退的速度,同时由位移传感器测量出步進電機的位移量,并将力和位移的相应数据通过显示器表示出来,根据相关行业标准来判断气制动阀的合格与否。


一般采用软件延时的方法来对步進電機的运行速度、步数及方向进行控制,根据计算机所发出脉冲的频率和数量所需的时间来设计一个子程序,该子程序包含一定的指令,设计者通常要对这些指令的执行时间进行严密的计算或者精确的测试,以便确定延时时间是否符合要求,每当子程序结束后,可以执行下面的操作。


采用软件延时方式时,CPU一直被占用,CPU利用率低,这在许多场合是非常不利的。因此需要重新设计对步進電機的控制程序,采用PCL-812PG数据采集卡,利用812PG卡中自带可编程计数/定时器8254及其他逻辑电路器件设计一种步進電機控制方式,仅需要几条简单的指令就可以产生具有一定频率和数目的脉冲信号。


可編程的硬件定時器直接對系統時鍾脈沖或某一固定頻率的時鍾脈沖進行計數,計數值則由編程決定當計數到預定的脈沖數時,給出定時時間到的信號,得到所需的延時時間或定時間隔,由于計數的初始值由編程決定,因而在不改動硬件的情況下,只通過程序的變化即可滿足不同的定時和計數要求,因此使用很方便。


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