步进电机详细介绍.doc

步进电机步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。步进电动机的输入量是脉冲序列,输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常运动情况下,它每转一周具有固定的步数;做连续步进运动时,其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系,不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接受数字量的控制,所以特别适宜采用微机进行控制。(一)步进电机的种类目前常用的有三种步进电动机:(1)反应式步进电动机(VR)。反应式步进电动机结构简单,生产成本低,步距角小;但动态性能差。(2)永磁式步进电动机(PM)。永磁式步进电动机出力大,动态性能好;但步距角大。(3)混合式步进电动机(HB)。混合式步进电动机综合了反应式、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。(二)步进电动机的工作原理图X1三相反应式步进电动机结构示意图1——定子 2——转子 3——定子绕组图x1是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。电机的定子上有六个均布的磁极,其夹角是60º。各磁极上套有线圈,按图1连成A、B、C三相绕组。转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距为θE=360º/40=9º,而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿,且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40,其比值是一分数,这就产生了所谓的齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐,如图,那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距,即3º。因此,B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。若给B相通电,B相绕组产生定子磁场,其磁力线穿越B相磁极,并力图按磁阻最小的路径闭合,这就使转子受到反应转矩(磁阻转矩)的作用而转动,直到B磁极上的齿与转子齿对齐,恰好转子转过3º;此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接着停止对B相绕组通电,而改为C相绕组通电,同理受反应转矩的作用,转子按顺时针方向再转过3º。依次类推,当三相绕组按A→B→C→A顺序循环通电时,转子会按顺时针方向,以每个通电脉冲转动3º的规律步进式转动起来。若改变通电顺序,按A→C→B→A顺序循环通电,则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3º的规律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电,并且按三种通电状态循环通电,故称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步矩角θb为30º。三相步进电动机还有两种通电方式,它们分别是双三拍运行,即按AB→BC→CA→AB顺序循环通电的方式,以及单、双六拍运行,即按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。反应式步进电动机的步距角可按下式计算:θb=360º/NEr(x-1)式中  Er——转子齿数, N——运行拍数,N=km,m为步进电动机的绕组相数,k=1或2。(三)步进电动机的特性(1)步进电动机必须加驱动才可以运转,驱动信号必须为脉冲信号,没有脉冲信号的时候,步进电动机静止,如果加入适当的脉冲信号,就会以一定的角度(称为步角)转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。(2)步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。(3)改变脉冲的顺序,可以方便的改变转动的方向。(四)步进电动机的驱动方法步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作,而必须使用专用的步进电动机驱动器,如图x2所示,它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。驱动单元与步进电动机直接耦合,也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口,这里予以简单介绍。图x2步进电动机驱动控制器(1)单电压功率驱动接口实用电路如图3所示。在电机绕组回路中串有电阻Rs,使电机回路时间常数减小,高频时电机能产生较大的电磁转矩,还能缓解电机的低频共振现象,但它引起附加的损耗。一般情况下,简单单电压驱动线路中,Rs是不可缺少的。Rs对步进电动机单步响应的改善如图x3。图x3单电压功率驱动接口及单步响应曲线(2)双电压驱动功率接口双电压驱动的功率接口如图x4所示。双电压驱动的基本思路是在较低(低频段)用较低的电压UL驱动,而在高速(高频段)时用较高的电压UH驱动。这种功率接口需要两个控制信号,Uh为高压有效控制信号,U为脉冲调宽驱动控制信号。图中,功率管TH和二极管DL构成电源转换电路。当Uh低电平,TH关断,DL正偏置,低电压UL对绕组供电。反之Uh高电平,TH导通,DL反偏,高电压UH对绕组供电。这种电路可使电机在高频段也有较大出力,而静止锁定时功耗减小。图x4双电压功率驱动接口(3)高低压功率驱动接口高低压功率驱动接口如图x5所示。高低压驱动的设计思想是,不论电机工作频率如何,均利用高电压UH供电来提高导通相绕组的电流前沿,而在前沿过后,用低电压U