步进电机的分类及工作原理是什么

  步进电机的工作原理

  步进电机又称为电脉冲马达、脉冲电机等,是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其特点是电动机绕组接受一个电脉冲,转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其额率成正比,并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输人电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角,转速及转向,很容易用微机实现数字控制。

  一、步进电机的分类

  步进电机按其结构和工作原理,一般可分为反应式(磁阻式)步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机,这几种结构在性能上各有特点。

  (①)反应式:定子上有绕组,转子由软磁材料组成.结构简单、成本低、步距角小(可达1.2).但动态性能差、效率低.发热大,可靠性难以保证。

  (2)永磁式:永磁式步进电机的转子用永磁材料制成:转子的极数与定子的极数相同.其特点是动态性能好、输出力知大.但这种电机精度差,步距角大(一般为7.5°或15°)

  (3)混合式:混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点,其定子上有多相绕组:转子上采用永磁材料,转子和定子上均有多个小齿以提高步距精度。其特点是输出力矩大、动态性能好,步距角小,但结构复杂、成本相对较高。

  步进电机若按定子上绕组相数来分,共有两相、三相、四相和五相等系列。目前应用最为广泛的是两相混合式步进电机,占有绝大部分的市场份额,其优点是性价比高。该种电机的基本步距角为1.8°，但同一步进电机可通过配不同细分的驱动器以改变精度和效果。配上半步驱动器后,步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍(0.007°)。步距角越小,控制精度越高。

  二、步进电机的工作原理

  无论是哪种结构的步进电机,其基本工作原理是一样的,数字控制开环伺服系统中广泛应用的三相反应式步进电机的工作原理示意图如图28所示

  首先来介绍如下几个概念。

  单:每次切换前后只有一相绕组通电。

  双:每次切换前后有两相绕组通电。

  拍:从一种通电状态转换到另一种通电状态。

  三相步进电动机绕组的通电方式一般有单三拍、单六拍及双三拍等几种

  1.三相单三拍运行方式(单拍方式)

  每次只有一相绕组通电,使步进电机按顺时针或逆时针方向旋转,这种控制方式称为单相控制方式。对三相电动机又称为单三拍控制方式,其绕组的通电按A一B一C一A的顺序进行,其绕组电流波形如图29所示。

  2.三相双三拍运行方式(双拍方式)

  三相双三拍运行方式T作比较稳定,共绕组通电顺序为AB一BC一CA一AB,功耗比单拍方式相比增大近一倍,其绕组电流彼形如图30所示

  3.三相六拍运行方式(单一双拍方式)

  三相六拍运行方式的绕组通电按A→AB→B一BCC→CA一A的顺序进行,其绕组电流波形如图31所示。

  步进电机三相六拍运行方式的绕组通电顺序每切换一次步进电动机顺时针旋转16",其运行原理图如图32所示。

  图32步进电机三相六拍运行时原理图

  4.步进电机转速的计算

  三相反应式步进电动机的结构示意图如图33所示。

  图 33三相反应式步进电机的结构示意图

  1一定子;2一转子;3一定子绕组

  设转子的齿数为Z,则齿距为=360°/Z。每通电一次,转子就走一步,故步距角为

  式中,m为相数;K为状态系数,单拍时K=1.双拍时K=2。

  若步进电机的齿数Z一40,若按三相单三拍运行时,其步距角为3;若按三相六拍运行时,步距角为1.5° 。

  由此可见,步进电机的转子齿数Z和定子相数m愈多,则步距角愈小,控制越精确。如果电脉冲的频率(电源频率)为f,单位为PPS(每秒脉冲数),则步进电机转速n为

  可见,反应式步进电机的转速只取决于脉冲频率.转子齿数和拍数,而与电压、负载、温变等因素无关。当步进电机的通电方式选定后,其转速只与输人脉冲频率成正比:改变脉冲顾率就可以改变转速,故可进行无级调速,调速范围宽。

  综上所述,步进电机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响,也不受环条件(温度、压力、冲击和振动等)变化的影响,只与控制脉冲同步。能按照控制的要求进行起动、停止、反转和改变速度。因此被广泛地应用于各种数字控制系统中。