步進(jìn)電機(jī)基本原理講解.doc

步進(jìn)電機(jī)基本原理電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，步進(jìn)電機(jī)將電脈沖轉(zhuǎn)換成特定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。每個脈沖所產(chǎn)生的運(yùn)動是精確的，并可重復(fù)，這就是步進(jìn)電機(jī)為什么在定位應(yīng)用中如此有效的原因。永磁步進(jìn)電機(jī)包括一個永磁轉(zhuǎn)子、線圈繞組和導(dǎo)磁定子。激勵一個線圈繞組將產(chǎn)生一個電磁場，分為北極和南極，見圖1所示。定子產(chǎn)生的磁場使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。圖2顯示了一個兩相電機(jī)的典型的步進(jìn)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(zhuǎn)子固定在圖示位置。當(dāng)A相關(guān)閉、B相通電時，轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)90。在第3步中，B相關(guān)閉、A相通電，但極性與第1步相反，這促使轉(zhuǎn)子再次旋轉(zhuǎn)90。在第4步中，A相關(guān)閉、B相通電，極性與第2步相反。重復(fù)該順序促使轉(zhuǎn)子按90的步距角順時針旋轉(zhuǎn)。圖2中顯示的步進(jìn)順序稱為“單相激勵”步進(jìn)。更常用的步進(jìn)方法是“雙相激勵”，其中電機(jī)的兩相一直通電。但是，一次只能轉(zhuǎn)換一相的極性，見圖3所示。兩相步進(jìn)時，轉(zhuǎn)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(jìn)多提供了41.1%的力矩，但輸入功率卻為2倍。半步步進(jìn)電機(jī)也可在轉(zhuǎn)換相位之間插入一個關(guān)閉狀態(tài)而走“半步”。這將步進(jìn)電機(jī)的整個步距角一分為二。例如，一個90的步進(jìn)電機(jī)將每半步移動45，見圖4。但是，與“兩相通電”相比，半步進(jìn)通常導(dǎo)致15%30%的力矩?fù)p失（取決于步進(jìn)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(zhuǎn)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(qū)動的輸出步驟在電氣原理圖和圖5中的步進(jìn)順序中進(jìn)一步闡述。按圖所示，轉(zhuǎn)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(lián)接方式為當(dāng)一個繞組通電時，產(chǎn)生一個北極磁場；另一個繞組通電，則產(chǎn)生一個南極磁場。因為從驅(qū)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(jìn)順序見圖6所示。該設(shè)計使得電子驅(qū)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(jī)是一個彈性體系統(tǒng)，所以步進(jìn)電機(jī)有一個固有諧振頻率。當(dāng)步進(jìn)速率等于電機(jī)的固有頻率時，電機(jī)可能會產(chǎn)生聽得見的噪音變化，同時振動增加。共振點將隨應(yīng)用場合和負(fù)載而變化，但共振點通常出現(xiàn)在70120步/秒之間的某一位置。在嚴(yán)重情況下，電機(jī)在振蕩點附近可能會失步。改變步進(jìn)速率是避免系統(tǒng)中與共振有關(guān)的許多問題的最簡單的方式。另外，半步或微步驅(qū)動通常也可以減少共振問題。當(dāng)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(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)所產(chǎn)生的力矩是下述參數(shù)的函數(shù)： 步進(jìn)速率 通過繞組的電流 所使用的驅(qū)動器的種類（直線電機(jī)所產(chǎn)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(qū)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(fù)載（單位為：g-cm2）的力矩。 Ti=I(/t)K其中：慣量，單位：g-cm2步進(jìn)速率，單位：步數(shù)秒t時間，單位：秒步距角度，單位：度常數(shù)：97.73應(yīng)該注意到的是：當(dāng)電機(jī)的步進(jìn)速率增加時，電機(jī)的反向電動勢（EMF）也增加。其限制了電流，并導(dǎo)致可使用的輸出力矩的減少。選擇適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)為了選擇適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)，必須考慮幾種因素。是要求線性運(yùn)動還是要求旋轉(zhuǎn)運(yùn)動？以下為選擇一個電機(jī)時應(yīng)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(jī)，還是要使用一個旋轉(zhuǎn)電機(jī)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)直線電機(jī)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(jìn)增量是多少？步進(jìn)速率或轉(zhuǎn)速（RPM）是多少？ 步進(jìn)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(qū)動器的類型？驅(qū)動器的類型？交流同步電機(jī)步進(jìn)電機(jī)也可在交流（AC）下運(yùn)行。但是，其中一相必須通過一個適當(dāng)選擇的電容器而得電。在這種情況下，電機(jī)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(chǎn)生相同數(shù)量的變更。電機(jī)已按相當(dāng)于240步/秒的速率真正通電。對于1.8的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，要求200個步長來完成一個旋轉(zhuǎn)（200SPR）。這就成了72轉(zhuǎn)/分（RPM）的同步電機(jī)。 對于直線電機(jī)，所產(chǎn)生的線性速度取決于電機(jī)每步的分辨率。例如，如果向0.001英寸/步的電機(jī)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(qū)動器步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)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(guān)元件和時鐘脈沖源，以確定步進(jìn)速率。許多商用驅(qū)動器已經(jīng)將這些零件組合成了一個整體。一些基本的驅(qū)動器設(shè)備僅有末級功率級，而沒有可以產(chǎn)生適當(dāng)步進(jìn)順序的電子控制器。雙極性驅(qū)動方式對于具有四根引線的兩相雙極性電機(jī)，這是非常普遍的驅(qū)動方式。在一個完整的驅(qū)動器/控制器中，電子元件交替地使每相電流反向。其步進(jìn)順序見圖5所示。單極性驅(qū)動方式該驅(qū)動方式要求每相上具有一個中間抽頭（6根引線）的電機(jī)。與使每相中的電流反向不同的是，該驅(qū)動只需將電流從每相中的一個線圈轉(zhuǎn)換到另一個線圈（圖6）。通過繞組的改變使電機(jī)內(nèi)部的磁場轉(zhuǎn)變方向。該方案用于簡單驅(qū)動，但每次僅利用了繞組的一半。與相當(dāng)?shù)碾p極性電機(jī)相比，這使旋轉(zhuǎn)電機(jī)產(chǎn)生的力矩或直線電機(jī)產(chǎn)生的力大約低了30%。L/R驅(qū)動方式這種類型的驅(qū)動也可稱為恒壓驅(qū)動。大多數(shù)的這類驅(qū)動器可以配置成運(yùn)行雙極性或單極性步進(jìn)電機(jī)。L/R代表電感（L）與電阻（R）之間的電氣關(guān)系。電機(jī)線圈阻抗與步進(jìn)速率之比由這些參數(shù)所確定。L/R驅(qū)動器應(yīng)將電源輸出電壓與電機(jī)線圈額定電壓相匹配，以適應(yīng)連續(xù)負(fù)載工作。許多已經(jīng)公布的電機(jī)性能曲線是以施加在電機(jī)引線上滿載額定電壓為基礎(chǔ)的。電源輸出電壓級別必須設(shè)置到足夠高，以補(bǔ)償驅(qū)動器電路內(nèi)部的電壓降失，以達(dá)到最佳的連續(xù)運(yùn)行。大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)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(qū)動”電機(jī)。當(dāng)過度驅(qū)動一個電機(jī)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(jī)溫升超過允許范圍。斬波驅(qū)動方式斬波驅(qū)動方式允許步進(jìn)電機(jī)在較高的速度下維持比L/R驅(qū)動方式更大的力矩或力。斬波驅(qū)動器是一個恒定電流驅(qū)動器，通常為雙極性類型。斬波驅(qū)動器是通過快速接通和關(guān)閉（斷路）輸出電源，以控制電機(jī)電流而得名的。對于該設(shè)置，可以使用低阻抗電機(jī)線圈和最大電源電壓，此時，驅(qū)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(jī)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(qū)動方式許多雙極性驅(qū)動器擁有微步進(jìn)的功能。微步進(jìn)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(jī)的一個步長為0.001英寸，將其驅(qū)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(jī)的步進(jìn)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(jìn)的增量誤差也是非累積的。在大部分情況下，微步驅(qū)動的目的是為了減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低步振動。疲勞/壽命適當(dāng)應(yīng)用時，HSI的直線電機(jī)可提供多達(dá)2千萬次的循環(huán)，HSI的旋轉(zhuǎn)電機(jī)可提供長達(dá)25,000小時的運(yùn)行。電機(jī)最終的疲勞和綜合壽命由每個用戶的具體應(yīng)用情況決定。下述定義對理解電機(jī)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(yùn)行電機(jī)。25%工作制：在L/R驅(qū)動上以雙倍的額定電壓運(yùn)行電機(jī)，電機(jī)通電時間大約為25%。電機(jī)產(chǎn)生的輸出比在額定電壓下運(yùn)行大約要多60%。注意，工作周期與施加在電機(jī)上的負(fù)載無關(guān)。壽命：直線電機(jī)的壽命為電機(jī)能在指定的負(fù)載下運(yùn)動，并維持步進(jìn)精確度的循環(huán)次數(shù)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)的壽命為工作小時數(shù)。一個周期：直線電機(jī)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(dāng)?shù)碾姍C(jī)并確保其最長壽命，有一些通用的準(zhǔn)則?；旧?，如要在一個給定的系統(tǒng)中確定一個步進(jìn)電機(jī)的性能，最好在“現(xiàn)場條件”下，或在緊密接近這些條件的場合中進(jìn)行最終組裝測試。由于步進(jìn)電機(jī)沒有電刷所產(chǎn)生的磨損，所以其壽命通常超過了該系統(tǒng)中的其它機(jī)械零件。如果步進(jìn)電機(jī)失效，則其可能與某些零件有關(guān)。軸承和導(dǎo)向螺桿/螺母接合處通常是要經(jīng)受疲勞的首要零件（在直線電機(jī)中）。所要求的力矩或推力以及工作環(huán)境是影響這些電機(jī)零件的因素。如果電機(jī)在其額定力矩或推力下，或接近其額定力矩或推力下運(yùn)行，則其壽命將受到影響。HSI的測試表明電機(jī)壽命隨工作負(fù)載的降低降低而呈指數(shù)增加。一般而言，電機(jī)應(yīng)設(shè)計成在其最大負(fù)載能力的40%60%下運(yùn)行。一些環(huán)境因素，如高濕度、暴露于苛性化學(xué)制品中、大量的污垢/碎片以及熱量，都會影響電機(jī)的壽命。組裝中一些機(jī)械因素，如直線電機(jī)中軸的側(cè)向負(fù)載或旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的不平衡負(fù)載等，也將對電機(jī)壽命造成不利影響。如果在短時工作制下使用電機(jī)，并向電機(jī)施加過度的電壓，則“通電”時間應(yīng)保證其溫升不超過電機(jī)的最大溫升。如果電機(jī)沒有足夠的“斷電”時間，將會產(chǎn)生太多的熱量，以致繞組過熱，最終導(dǎo)致電機(jī)失效。設(shè)計一個能將這些因素降低到最小的系統(tǒng)將確保電機(jī)的最大壽命。將壽命最大化的第一步是選擇一個安全系數(shù)為2或更大的電機(jī)。第二步是通過將側(cè)向負(fù)載、不平衡的負(fù)載和沖擊載荷降低到最小來保證系統(tǒng)具有良好的機(jī)械性能。該系統(tǒng)也應(yīng)消散熱量。對于有散熱裝置的電機(jī)或設(shè)備來說，周圍的氣流通常是主要的散熱方式。如果系統(tǒng)中存在苛性化學(xué)品，則必須對電機(jī)和其它所有零件加以防護(hù)。最后，在“現(xiàn)場條件”下測試電機(jī)及其組件將確保應(yīng)用的適當(dāng)性。如果遵守了這些準(zhǔn)則，HSI直線電機(jī)將在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)提供可靠的操作。如果您在設(shè)計上需要幫助，HSI的應(yīng)用工程師將幫助您在我們的電機(jī)上獲得最大的壽命和最佳的性能?？偨Y(jié)多年來，步進(jìn)電機(jī)一直被許多領(lǐng)域所使用，隨著小型化、計算機(jī)控制和降低成本的趨勢，“混合式”步進(jìn)電機(jī)的使用正日益廣泛。特別是近年來，直線電機(jī)的使用已經(jīng)迅速地擴(kuò)大，在許多領(lǐng)域都能發(fā)現(xiàn)這些精密、可靠的電機(jī)，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(shè)備、HVAC設(shè)備、閥門控制、印刷設(shè)備、X-Y平臺、集成芯片制造、檢驗和試驗設(shè)備。這些頗具吸引力的技術(shù)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(guān)的費用。設(shè)計師所能想到的地方就是這些電機(jī)的用武之地。術(shù)語定位或剩余力矩：在沒有電流通過繞組時，能使電機(jī)的輸出軸旋轉(zhuǎn)所需施加的力矩。驅(qū)動器：一個通過控制外部電氣零件來運(yùn)行步進(jìn)電機(jī)的裝置。這包括電源、邏輯程序器、開關(guān)元件以及一個確定步進(jìn)速率的變頻脈沖源。動態(tài)力矩：在一定步進(jìn)速率下電機(jī)所產(chǎn)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(jī)的輸出軸旋轉(zhuǎn)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(jī)所移動負(fù)載的慣性，或電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣性。線性步進(jìn)增量：轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一個步距角導(dǎo)向螺桿所產(chǎn)生的線性行程。每秒脈沖數(shù)（PPS）：電機(jī)在一秒鐘內(nèi)所產(chǎn)生的步數(shù)（有時稱為“步數(shù)/秒”）。這由電機(jī)驅(qū)動器所產(chǎn)生的脈沖頻率所決定。升降速：在電機(jī)不失步的情況下，將給定負(fù)荷從原有的低步進(jìn)速率增加至最大，接著再降低至原有速率的一種驅(qū)動技術(shù)。單一步進(jìn)