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​步进电机的基础知识

是一种将电脉冲信号转化成离散力学运动的机电设备。当施加恰当的电脉冲指令时,步进电机旋转的轴或主轴将会以不接连的步进增量旋转。电机滚动与施加的脉冲之间有几个方面的直接联系。所施加的脉冲序列决议了电机轴的旋转方向;电机的输出轴旋转的速度决议于输入脉冲的频率;电机旋转的视点决议于输入脉冲的数量。

步进电机的长处和缺陷

长处:1.电机的旋转视点与输入脉冲成正比。

2.当绕组通电时,电机转矩处于彻底中止状态。

3.因为杰出的步进电机的准确度为3%-5%,而且不会将差错从一个过程累计到下一步,所以步进电机能够精断定位和重复性地运动。

4.对发动/中止/换向有极好的反响。

5.因为没有接触到电机上的电刷,所以它十分牢靠。电机的运用寿命仅仅依赖于轴承的寿命。

6.电机对数字输入脉冲的响应供给了开环操控,这样使电机能够更简略和低成本的操控。

7.负载直接耦合到轴,能够完成十分低速的同步旋转。

8.当速度与输入脉冲的频率成正比,能够完成更大规模的旋转速度。

缺陷:1.假如不恰当地操控可能会发生共振。

2.假如速度太快则不易操作。

开环操控:

步进电机的一个最显着的长处是它能够在开环体系中被精确地操控。开环操控是指不需求反应有关方位的信息。这种类型的操控能够消除贵重的传感和反应设备的需求,例如光学编码器。只需输入过程脉冲跟踪就能知晓您此时所在的方位。

步进电机的类型

步进电机有三种类型,分别是:

1.可变磁阻型

2.永久磁场型

3.混合型

可变磁阻型(VR)

这种类型的步进电机现已存在了很长一段时间。从结构上来看,它可能是最简略了解的。图1显现出了一个典型的V.R.步进电机的截面。这种类型的电机包括一个软铁多齿的转子和一个绕定子。当定子绕组经过直流电流通电,电机磁极则被磁化。当转子齿被吸引到带电的定子极时,电机发作旋转。

永久磁场型(PM)

永久磁场型的步进电机一般被称为“锡罐”电机,是一种低成本、低分辨率类型的电机,它的典型步距角为7.5°至15°(48 - 24步/转)。永久磁场型步进电机望文生义有永久磁铁附加的电机的结构。与可变磁阻型电机比较,这种电机的转子不再有齿。相反的,转子是跟着北极和南极交替坐落于一条平行于转子轴的直线而磁化。这些磁化转子磁极为电机供给一种添加的磁通强度,因而,这种永久磁场型电机与可变磁阻型电机比较,具有更高级的转矩特性。

混合型(HB)

混合型步进电机比永磁型步进电机更贵重,但在分辨率,转矩和速度上供给了更好的性能。关于混合型步进电机,其典型的步距角的规模是3.6°〜0.9°(100 - 400步每转)。该混合式步进电机结合了永久磁场型步进电机和可变磁阻型步进电机的优秀特性。转子是像可变磁阻型电机,是多齿型的,并包括一个轴向磁化同心磁体绕着它的轴 。转子上的齿供给了一条更好的途径,它有助于引导首选地点中的磁通气隙。与VR和PM型电机比较,进一步添加了锁定、控股和动态转矩的电机特性。

最常用的两种步进电机是永久磁铁型和混合型。假如规划师不知道哪种类型的步进电机最能满意他的运用需求,他应该先评价永久磁场型的电机,因为它一般是更廉价的。假如永磁型电机不适合的话,那么混合型电机可能是正确的挑选。

此外,还存在着一些特别规划的步进电机。一个是盘式的永磁步进电机,它的转子是由稀土磁铁制成的,规划得像一张光盘,如图2。该型电机有必定的优势,例如十分低惯量和一个之间没有耦合的两个定子绕组的优化的磁流路。在某些运用中,这些质量是必不可少的。

尺度和功率

除了依据步进电机步距角分类之外,步进电机也依据电机对应的直径的全体尺度来分类。例如,一个巨细为11的步进电机的直径约1.1英寸。相同巨细23的步进电机具有机身直径为2.3英寸(58毫米)。但是全体巨细相同的步进电机因为归于不同的机型,在机身长度上可能会有改动。一般来说,某一个特定尺度的电机的可用输出力矩会跟着机身长度的添加而添加。

步进电机的驱动IC的功率规模一般由对十分小的电机的低于1瓦特到对大型电机的10-20瓦特。在电机制作商的数据里,电机的最大功耗水平缓热极限很少明确提出。为了证明这一点,咱们有必要运用的联系为:P= V×I。例如,巨细为23的步进电机,每阶段额外电压、电流为6V和1A。因而,与两个阶段通电两相电源的电机的额外功耗为12瓦。丈量步进电机的热量蒸发水平的一般做法是,在中止的空气中,让电机的热量上升到65°C。假如给电机安装散热设备,一般能够添加答应功耗水平。这一点很重要,因为电机的规划要求它应该在尺度、输出功率和成本的视点来有用地运用其最大功耗。

何时运用步进电机

当受控运动必需时,步进电机能够是一个很好的挑选。当需求操控旋转视点,速度,方位和同步时,步进电机的优势能够在这些运用中得到有用运用。因为本身固有的优势,步进电机在许多不同的运用中现已找到了自己的方位,包括打印机,绘图仪,高端办公设备,硬盘驱动器,医疗设备,传真机械,汽车等。

旋转磁场

当一相绕组的步进机电动机通以鼓励电流时,就会发生磁通,该磁通的方向是由“右手规矩”决议的。“右手规矩”规则:“假如磁力线笔直进入右手,四指所指向的方向为导线中感应电流的方向,大拇指所指向的方向则为磁场方向。”

图2显现出的磁通途径走向,B相通电时绕组电流方向如图所示。转子操控本身使磁通的阻抗最小化。在这种状况下的电动机将顺时针方向旋转,这样它的南极与北极对齐的定子B在方位2,北极与南极对齐的定子B在方位6。为了让电机滚动,咱们现在能够看到,咱们有必要供给一系列的鼓励定子绕组,供给一个旋转的磁场场,在磁吸力的作用下,带动定子滚动。

转矩代数

步进电机发生的转矩取决于几个要素:

•步进速率

•绕组的驱动电流

•驱动器规划或类型

在一个步进电机中,当转子和定子的磁通量互相交链时,转矩才发作改动。该定子是由一个高渗透性磁资料组成的。这和电子电路中电流会集在导体中的办法相同,这种高渗透性磁性资料导致了磁通量被部分地限定在定子的磁路上。这是为了把磁通量会集在定子南北极。当绕组通电时,电机发生的转矩输出与磁通发生的强度成比。

磁通量与磁密的基本联系为:

H = (N ×I) ÷l,其间:N =绕组的匝数I =电流

H =磁场强度 l=磁通途径的长度

这种联系标明,磁通量的强度与扭矩绕组的匝数和电流成正比,与磁通途径的长度成反比。从这个基本联系能够看出,相同的巨细的步进电机,经过改动绕组参数可有不同的扭矩输出。更多关于绕组参数如何影响步进电机输出量的详细资料,能够在题为“驱动器电路基础”的运用说明中找到。

相、极和步进角

一般状况下,步进电机是两相的,但三相和五相电机也是存在的。双极电机有两相,每一相有一个绕组。单极电机也有两相,每相有一个绕组,仅仅每相绕组多了一个中心抽头。有时单极步进电机被称为一个“四相电机“,虽然它只要两相。

也存在每相有两个独自绕组的电机,这些电机选用双极性或单极形式来驱动。

极能够被界说为磁化体磁通密度会集的区域。转子和步进电机的定子都有磁极。一个简化的两相步进电机,定子每相有2个极(1对极),转子上有2极(一对极)。在现实中,转子和定子结构会参加更多的磁极,以添加步数电动机每转的步数,换句话说,就是供给一个较小的基本(全步)步进视点。永久永磁步进电机包括一个持平数量的转子和定子的极对。一般状况下,PM电机有12个极对数,即定子每相具有12个极对。混合型步进电机有一个带齿的转子,该转子被分红两部分,由永磁离隔,使一半的齿成为南极,另一半成为北极,而转子的极对数量就等于任何转子齿数的一半。为了树立一个较高的等效磁极数,混合型电机的定子极也有齿(关于较小的极距,等效磁极数=360/齿距)。与等效磁极比较,基本的极上是有绕组环绕的。一般4个主极适用于3.6度的电机,而8个极适用于1.8和0.9度类型的电机。

转子极数、等效定子磁极数和相数的联系式之间决议了步进电机整步时的步距角。

步距角=360 ÷(NPh×Ph)=360/N

NPh=每持平效磁极数相位=转子极数

Ph=相数N =各相磁极数之和

假如在转子和定子的齿距是不持平的,则存在更为杂乱的联系式。

步进形式

以下是最常见的驱动形式:

•动摇驱动(1相通电)

•全步驱动(2相通电)

•半步驱动(1&2相通电)

•微步驱动(接连不同的电机电流改动)

关于以下的评论,请参阅图3。 

在动摇驱动中,只要一个绕组在任何给定的时间内通电。该定子通电序列为A → B → → ,转子的滚动过程为8 → 2 → 4→ 6。关于同一绕组参数的单极性和双极性的电机,这种鼓励形式会导致转子在相同的机械方位作业。该驱动形式的缺陷是关于绕组的运用率在单极的电机只要25%,而在双极性电机只要50%。这意味着你没有从电机作业中得到最大转矩输出。

在全步驱动下,任何给定时间内都有两相通电。依据定子通电序列AB → B → →A,转子将按过程1 → 3 →5 →7步进。全步形式和单相通电有相联系的运动视点,但在机械方位上偏移了二分之一。单极性电机的输出转矩要低于其双极性电机(电机同一绕组参数),因为单极电机只运用50%的绕组,而双极性电机却运用了整个绕组。

半步驱动结合动摇驱动和全步驱动(1&2相通电)两种形式。在这种形式下,第二步仅有一相通电,在其他步上,每极都有一相通电。依据定子通电序列AB → B → B →→ → → A→ A,转子的步进方位为1 →2 → 3→ 4 → 5 → 6 →7 →8。这样的运动的视点只要1 或2相通电那种驱动形式下歩距角的一半。和1 或2相通电驱动形式比较,半步作业能够削减共振现象。

在微步驱动时,绕组中的电流是接连改动的,以便能够将一个整步分红许多较小的离散微步。更多关于微步驱动的详细信息能够找到。

转矩特性

步进电机的距角特性是指步进电机依照额外电压通电时,施加到转子轴上的力矩与对应的偏移视点之间的联系。一个理想的步进电机具有正弦曲线的转矩特性,如图4所示。

当负载被施加到转子轴时,方位A和C分别代表安稳平衡点。当你将一个外力Ta作用在电机的转轴上,就会发生一个对应的偏移视点。该偏移视点Θa,视点超前或滞后,取决于电机是处于加快或减速状态。当转子上施加载荷中止时,它将坚持在一个被界说为偏移角的方位上。该电机发生的力矩Ta,对应于施加的外力以平衡负载。跟着负载添加,偏移角也添加,直到抵达电机的最大控股转矩Th。一旦超越电机将进入一个不安稳的区域。在这种区域的转矩发生反向,而且转子跃过不平衡点抵达下一个平衡点。

移角由以下联系式断定:

X = (Z ÷2∏) ×sin(Ta ÷Th),其间:

Z =转子齿距   Ta=负载转矩    Th =电动机额外转矩    X =偏移角

因而,假如你对带负载电机的步距角差错觉得有问题的话,你能够经过改动电机的“刚度”来改善。这是经过添加电机的额外转矩来完成。咱们可在图4看到这一作用。关于一个稳定负载,添加额外转矩能够使滞后角从Q2偏移到Q1 。

步距角精度

步进电机作为一款定位设备取得了如此受欢迎的原因之一是它的精度和可重复性。一般步进电机的步距角精度抵达每步的3% - 5%。这个差错不是一步一步累积的。步进电机的精度主要受它的零件精度和装配的影响。

a.步矩角差错

当电机从从前方位旋转到下一步时发生的最大正向或负向差错

步矩角差错=丈量步矩角 - 理论视点

b.定位差错

电机从初始方位步进N次(N= 360°/步矩角),丈量每一步到初始方位的视点。假如第N步的方位到初始方位的视点为ΘN,差错是ΔΘN,则:

ΔΘN= ΔΘN- (步矩角) ×N。

虽然方位差错是最大值和最小值之间的差异,但一般表明为±符号。即为:

方位差错=±1⁄2( ΔΘMax-  ΔΘMin)

c.迟滞方位差错

在两个方向丈量中取得的差错值。

机械参数,负载,冲突,惯量

步进电机体系(驱动器和电机)的性能高度依赖于机械负载参数。负载是界说为电机所驱动的,一般是指冲突,惯量或两者的组合。

冲突力因为表面的高低不平、彼此冲突而发生的对运动的阻力。冲突力是一个常数与速度相乘。在整个步进过程中,需求最小的力矩(至少等于冲突),来战胜当时的冲突力。添加冲突负荷,将下降最大速度和加快度,添加了矩角差错。假如磨擦负载下降将得到相反的成果。

惯量是反抗改动速度的。一个高惯性负载要求一个高惯性力矩和相同的适用于制动。添加一个惯性负荷将添加快度的安稳性,添加所需的时间以抵达所期望的速度和削减最大的自发动脉冲速率。假如惯量下降则得到相反的成果。

步进电机的转子振动将随冲突力和惯性负载的巨细而改动。因为这种机械阻尼设备,不必要的转子振动能够减小。一般选用更为简略的电子阻尼的办法,以削减这些不必要的振动例如把整步驱动变为半步驱动。

矩与速度特性

关于一个特定的运用,转矩与速度之间的联系特性是挑选适宜的电机驱动的要害。这些特性是依赖于(改动)电机,鼓励形式、不同的驱动器或驱动器的办法。

为了取得更好的了解需求界说与这条曲线相关的概念。

a.坚持转矩

电机在中止时发生的最大转矩。

b.牵入曲线

牵入曲线界说了一个作为开端中止的区域。这是电机在施加负荷的状况下,能够瞬间发动/中止且不丢掉同步的最高频率。

c.最大起动功率

指无负载施加时的最大起动功率。

d.牵出曲线

牵出曲线界说一个被称为作业的区域。它指的是电机能够作业到最大频率而不会失掉同步。因为此区域在牵入区域以外,电机有必要经过一个阶段(加快或减速)才干进入这一区域。

e.最大转化速率

电机无负荷时的最高作业频率。

牵入特性的改动取决于负载。负载惯量越大,牵入区域越小。从曲线的形状咱们能够看到,步进频率影响电机的转矩输出才能。跟着速度的添加,转矩输出

将递减,这是因为在高速时的电机的电感在电路元素是占主导地位的。

转速 - 转矩的形状曲线依据所运用的驱动类型有明显的改动。由爱立信组件制成的双极斩波类型驱动电路,能够抵达最佳的转速 - 转矩特性。大部分电机制作商会供给这些电机的转速 - 转矩曲线。重要的是要了解电机制作商所给的转矩-转速特性曲线选用的驱动器类型或驱动办法。因为关于一个给定的电机,因为所用驱动办法的不同其特性曲线也将有明显改动。

单步响应和共振

当单步脉冲被施加到步进电机,转子的动作办法如上述曲线所示。步进时间t是当第一个步进脉冲施加时,电机轴旋转一个步距角所花费的时间。此步进的时间是高度依赖于惯量(负载)转矩的比率,以及运用的驱动类型。

因为转矩是偏移视点的函数,加快度也将是。因而,当滚动的步进增量较大时,对应的转矩也较大,因而加快度也增大。经过设定的时间,这些振动或重复将停止。在某些运用中,这现象是不可取的。经过微步驱动的步进电机,能够削减或消除这些共振现象。

在某一特定的频率,步进电机会呈现共振现象。这能够被看作是在某一速度下因为转矩的丢掉或速度下降,而导致的步丢掉或失掉同步。当输入阶跃脉冲速率与固有转子振动频率相一致,会呈现这种状况。一般共振区域约100 - 200pps,在高步脉率区域也有。共振现象来自步进电机的基本结构,因而这是不可能彻底消除。它也取决于负载条件,能够经过半步或微步驱动形式来削弱。


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