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    步進電機原理
    發布時間:2013/7/29
    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)步進電機原理
    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°。

     
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