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步進電機

万事博娱乐:2018-04-06 17:32:16 閱讀次數:62 文章來源:博智達原創
導讀: 一般電動機都是連續旋轉,而步進電動卻是一步一步轉動的,故叫步進電動機。每輸入一個脈沖沖信號,該電動機就轉過一定的角度(有的步進電動機可以直接輸出線位移,稱爲直線電
     步進電機
  
一般電動機都是連續旋轉,而步進電機卻是一步一步轉動的,故叫步進電動機。每輸入一個脈沖沖信號,該電動機就轉過一定的角度(有的步進電動機可以直接輸出線位移,稱爲直線電動機)。因此步進電動機是一種把脈沖變爲角度位移(或直線位移)的執行元件。
  
步进电动机的转子为多极分布,定子上嵌有多相星形连接的控制绕组,由专门电源输入电脉冲信号,每输入一个脉冲信号,步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号,输出的角位移是断续的,所以又称为脉冲电动机。   
 
隨著數字控制系統的發展,步進電動機的應用將逐漸擴大。
  
步進電動機的種類很多,按結構可分爲反應式和激勵式兩種;按相數分則可分爲單相、兩相和多相三種。

反应式步进电动机结构示意图,它的定子具有均匀分布的六个磁极,磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组,联法如图所示。  
  
下面介紹反應式步進電動機單三拍、六拍及雙三拍通電方式的基本原理。
 
一、單三拍通電方式的基本原理
  
設A相首先通電(B、C兩相不通電),産生A-A′軸線方向的磁通,並通過轉子形成閉合回路。這時A、A′極就成爲電磁鐵的N、S極。在磁場的作用下,轉子總是力圖轉到磁阻最小的位置,也就是要轉到轉子的齒對齊A、A′極的位置(圖2a);接著B相通電(A、C兩相不通電),轉了便順時針方向轉過30°,它的齒和C、C′極對齊(圖2c)。不難理解,當脈沖信號一個一個發來時,如果按A→C→B→A→„的順序通電,則電機轉子便逆時針方向轉動。這種通電方式稱爲單三拍方式。
 
二、六拍通電方式的基本原理
  
設A相首先通電,轉子齒與定子A、A′對齊(圖3a)。然後在A相繼續通電的情況下接通B相。這時定子B、B′極對轉子齒2、4産生磁拉力,使轉子順時針方向轉動,但是A、A′極繼續拉住齒1、3,因此,轉子轉到兩個磁拉力平衡爲止。這時轉子的位置如圖3b所示,即轉子從圖(a)位置順時針轉過了15°。接著A相斷電,B相繼續通電。這時轉子齒2、4和定子B、B′極對齊(圖c),轉子從圖(b)的位置又轉過了15°。其位置如圖3d所示。這樣,如果按A、AB、B、BC、C、CA、A„的順序輪流通電,則轉子便順時針方向一步一步地轉動,步距角15°。電流換接六次,磁場旋轉一周,轉子前進了一個齒距角。如果按A、AC、C、CB、B、BA、A„的順序通電,則電機轉子逆時針方向轉動。這種通電方式稱爲六拍方式。
細分:在A相通電後,B相不完全通電,可通過控制B相線圈的電流大小而達到旋轉角度的目的。
 
三、雙三拍通電方式的基本原理
  
如果每次都是两相通电,即按A、B→B、C→C、A→A、B→„的顺序通电,则称为双三拍方式,从图3b,和图3d可见,步距角也是30°。因此,采用单三拍和双三拍方式时转子走三步前进了一个齿距角,每走一步前进了三分之一齿距角;采用六拍方式时,转子走六步前进了一个齿距角,每走一步前进了六分之一齿距角。因此步距角θ可用下式计算: θ=360°/Zr×m
式中Zr是轉子齒數;m是運行拍數。
  
一般步進電動機最常見的步距角是3°或1.5°。由上式可知,轉子上不只4個齒(齒距角90°),而有40個齒(齒距角爲9°)。爲了使轉子齒與定子齒對齊,兩者的齒寬和齒距必須相等。因此,定子上除了6個極以外,在每個極面上還有5個和轉子齒一樣的小齒。步進電動機的結構圖如圖4所示。
 
由上面介紹可知,步進電動機具有結構簡單、維護方便、精確度高、起動靈敏、停車准確等性能。此外,步進電動機的轉速決定于電脈沖頻率,並與頻率同步。
 
四、步進電動機的驅動電源
  
步進電動機需配置一個專用的電源供電,電源的作用是讓電動機的控制繞組按照特定的順序通電,即受輸入的電脈沖控制而動作,這個專用電源稱爲驅動電源。步進電動機及其驅動電源是一個互相聯系的整體,步進電動機的運行性能是由電動機和驅動電源兩者配合所形成的綜合效果。
1、對驅動電源的基本要求
(1)驅動電源的相數、通電方式和電壓、電流都工滿足步進電動機的需要;
(2)要滿足步進電動機的起動頻率和運行頻率的要求;
(3)能最大限度地抑制步進電動機的振蕩;
(4)工作可靠,抗幹擾能力強;
(5)成本低、效率高、安裝和維護方便。
 
2、驅動電源的組成
  步進電動機的驅動電源基本上由脈沖發生器、脈沖分配器和脈沖放大器(也稱功率放大器)三部分組成,如圖5所示。
 
(1)脉冲发生器  
    
脈沖發生器是一個脈沖頻率由幾赫到幾十千赫可連續變化的脈沖信號發生器。脈沖發生器可以采用多種線路,最常見的有多諧振蕩器和單結晶體管構成的張弛振蕩器兩種,它們都是通過調節電阻R和電容C的大小來改變電容器充放電的時間常數,以達到改變脈沖信號頻率的目的。圖6是兩種實用的多諧振蕩電路,它們分別由反相器和非門構成,振蕩頻率由RC決定,改變R值即可改變脈沖頻率。
 
(2)脈沖分配器
    
脉冲分配器中由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路,它根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加在脉冲放大器上,使步进电动机按确定的运行方式工作。下面着重介绍CH250环形脉冲分配器。  
    
CH250環形脈沖分配器是三相步進電動機的理想脈沖分配器,通過其控制端的不同接法可以組成三相雙三拍和三相六拍的不同工作方式,如圖7、圖8所示。
 
 
J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端,J6r、J6L是三相六拍的控制端,三相双三拍工作时,若J3r=“1”,而J3L=“0”,则电机正转;若J3r=“0”,J3L=“1”,则电机反转;三相六拍供电时,若J6r=“1”,J6L=“0”,则电机正转;若J6r=“0”,J6L=“1”,电机反转。R2是双三拍的复位端,R1是六拍的复位端,使用时,首先将其对应复位端接入高电平,使其进入工作状态,然后换接到工作位置。CL端是时钟脉冲输入端,EN是时钟脉冲允许端,用以控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲CP由CL端输入,只有EN端为高电平时,时钟脉冲的上升沿才起作用。CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端,此时,只有CL为低电平时,时钟脉冲的下降沿才起作用。A0、B0、C0为环形分配器的三个输出端,经过脉冲放大器(功率放大器)后分别接到步进电动机的三相线上。     
 
CH250環形脈沖分配器的功能關系如表1所列。
 
(3)脈沖放大器(功率放大器)
    
由于脉冲分配器输出端A0、B0、C0的输出电流很小,如CH250脉冲分配器的输出电流大约为200-400μA,而步进电动机的驱动电流较大,如75BF001型步进电动机每相静态电流为3A,为了满足驱动要求,脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲放大器(即功率放大器)后才能驱动步進電機。图9是一个实用的脉冲放大电路,图中使用三级晶体管放大,第一级用3DG6小功率管,第二级用3DK4中功率管,第三级用3DD15大功率管,R6为步進電機限流電阻,隨所配電機不同而異。


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