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2021
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09
步進電機的原理
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【概要描述】步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件
步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。
雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。
如今,生產步進電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給戶在產品選型、使用中造成許多麻煩。鑒于上述情況，我們決定以廣泛的感應子式步進電機為例。敘述其基本工作原理。望能對廣大用戶在選型、使用、及整機改進時有所幫助。
折疊反應式步進電機
由于反應式步進電機工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應式步進電機原理。
1、結構: 電機轉子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。 0、1/3て、2/3て,(相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以て表示)，即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3て，C與齒3向右錯開2/3て，A'與齒5相對齊，(A'就是A，齒5就是齒1)下面是定轉子的展開圖:
2、旋轉: 如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，(轉子不受任何力以下均同)。 如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移(て-1/3て)=2/3て。 如C相通電，A，B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。 如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉子又向右移過1/3て 這樣經過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4(即齒1前一齒)移到A相，電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機就每步(每脈沖)1/3て,向右旋轉。如按A，C，B，A……通電，電機就反轉。 由此可見:電機的位置和速度由導電次數(脈沖數)和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。 不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A這種導電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機細分驅動的基本理論依據。 不難推出:電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制--這是旋轉的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。
3、力矩: 電機一旦通電，在定轉子間將產生磁場(磁通量Ф)當轉子與定子錯開一定角度產生力 F與(dФ/dθ)成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br為磁密，S為導磁面積 F與L*D*Br成正比 L為鐵芯有效長度，D為轉子直徑 Br=N·I/R N·I為勵磁繞阻安匝數(電流乘匝數)R為磁阻。 力矩=力*半徑 力矩與電機有效體積*安匝數*磁密 成正比(只考慮線性狀態(tài)) 因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。
折疊感應子式步進電機
1、特點: 感應子式與傳統(tǒng)的反應式相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。 感應子式某種程度上可以看作是低速同步的電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行。(必須采用雙極電壓驅動)，而反應式電機則不能如此。例如:四相，八相運行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用二相八拍運行方式.不難發(fā)現其條件為C=,D=. 一個二相電機的內部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線(四相)，這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯或并聯使用。
2、分類
感應子式電機以相數可分為:二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。以機座號(電機外徑)可分為:42BYG(BYG為感應子式步進電機代號)、57BYG、86BYG、110BYG、(國際標準)，而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內標準。
3、步進電機的靜態(tài)指標術語 相數:產生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數。常用m表示。 拍數:完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態(tài)用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角:對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度(轉子齒數J*運行拍數)，以常規(guī)二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/(50*4)=1.8度(俗稱整步)，八拍運行時步距角為θ=360度/(50*8)=0.9度(俗稱半步)。 定位轉矩:電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩(由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的) 靜轉矩:電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積(幾何尺寸)的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。 雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過分采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。
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