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1、1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及特點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及特點(diǎn)隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增,它廣泛用于打印機(jī)、電動(dòng)玩具等消費(fèi)類產(chǎn)品以及數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療器械等機(jī)電產(chǎn)品中,其在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。研究步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng),對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。1步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī),國(guó)外一般稱為Steppingmot、Pulsemot或Stepperser
2、vo,其應(yīng)用發(fā)展已有約80年的歷史。步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)變成直線位移或角位移的控制電機(jī),其位移速度與脈沖頻率成正比,位移量與脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成,可以對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制。當(dāng)電流流過定子繞組時(shí),定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng),該矢量場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度,使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁極磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一著該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。因此,控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實(shí)際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁
3、場(chǎng)。每來一個(gè)脈沖電壓,轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角,稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式,步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流輪流切換,在供給連續(xù)脈沖時(shí),就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同,在不丟步的情況下運(yùn)行,其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。在非超載的情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化的影響,同時(shí)步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差,精度高,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)
4、調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等,這是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)[1]。正常情況下,步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比;連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系,不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入,所以特別適合于微機(jī)控制。2國(guó)內(nèi)外的研究概況國(guó)內(nèi)外的研究概況步進(jìn)電機(jī)是國(guó)外發(fā)明的。中國(guó)在文化大革命中已經(jīng)生產(chǎn)和應(yīng)用,例如江蘇、浙江、北京、南京、四川都生產(chǎn),而且都在各行業(yè)使用,驅(qū)動(dòng)電
5、路所有半導(dǎo)體器件都是完全國(guó)產(chǎn)化的,當(dāng)時(shí)是全分立元器件構(gòu)成的邏輯運(yùn)算電路,還有電容耦合輸入的計(jì)數(shù)器,觸發(fā)器,環(huán)形分配器。國(guó)外在大功率的工業(yè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)上,目前基本不使用大扭矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī),因?yàn)閺尿?qū)動(dòng)電路的成本,效率,噪音,加速度,絕對(duì)速度,系統(tǒng)慣量與最大扭矩比來比較,比較不劃算,還是用直流電動(dòng)機(jī),加電動(dòng)機(jī)編碼器整體技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高。一些少數(shù)高級(jí)的應(yīng)用,就用空心轉(zhuǎn)杯電機(jī),交流電機(jī)。國(guó)外在小功率的場(chǎng)合,還使用步進(jìn)電機(jī),例如一些工業(yè)器材,工業(yè)生產(chǎn)裝備
6、,打印機(jī),復(fù)印件,速印機(jī),銀行自動(dòng)柜員機(jī)。國(guó)外用許多現(xiàn)代的手段將步進(jìn)電機(jī)排擠出驅(qū)動(dòng)應(yīng)用,除了前面提到的旋轉(zhuǎn)編碼器,打印機(jī)還使用光電編碼帶或感應(yīng)編碼帶配合直流電動(dòng)機(jī),實(shí)現(xiàn)閉環(huán)直線位移控制。國(guó)內(nèi)過去是用大力矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)控,有實(shí)力的公司現(xiàn)在也采用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床,在驅(qū)動(dòng)設(shè)備的主要差距,是國(guó)外對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制理論與工程分析和應(yīng)用能力強(qiáng),先進(jìn)的控制理論作為軟件,寫在控制器內(nèi)部??偟膩碚f,步進(jìn)電機(jī)是一種簡(jiǎn)易的開環(huán)控制,對(duì)運(yùn)用者的要
7、求低,不適合在大功率的場(chǎng)合使用。在衛(wèi)星、雷達(dá)等應(yīng)用場(chǎng)合,中國(guó)在文化大革命后期,就生產(chǎn)了力矩電機(jī),就生產(chǎn)了環(huán)形力矩電機(jī),在高品質(zhì)的控制場(chǎng)合,有時(shí)還不能使用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制,在3圖4.14.1四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖開始時(shí),開關(guān)SB接通電源,SA、SC、SD斷開,B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊,同時(shí),轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒,2、5號(hào)齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開關(guān)SC接通電源,SB、
8、SA、SD斷開時(shí),由于C相繞組的磁力線和1、4號(hào)齒之間磁力線的作用,使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),1、4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒,2、5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推,A、B、C、D四相繞組輪流供電,則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖4.2所示:圖4.24.2步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn):步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn):1
9、)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。因此,當(dāng)它轉(zhuǎn)一圈后,沒有累計(jì)誤差,具有良好的跟隨性。2)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng),既簡(jiǎn)單、廉價(jià),又非??煽?,同時(shí),它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。3)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。4)速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)整,低速下仍能獲得較大轉(zhuǎn)距,因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。5)步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行,不能直接使用交流電源和直流
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