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步进电机工作原理及其控制

时间:2017-04-13 09:03:10

摘要:

电机将电能转换成机械能,步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
                        步进电机工作原理及其控制
    永磁步进电机包括一个永磁转子、线圈绕组和导磁定子。激励一个线圈绕组将产生一个电磁场,分为北极和南极,见图1所示。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。
  图2显示了一个两相电机的典型的步进顺序。在第1步中,两相定子的A相通电,因异性相吸,其磁场将转子固定在图示位置。当A相关闭、B相通电时,转子顺时针旋转90°。在第3步中,B相关闭、A相通电,但极性与第1步相反,这促使转子再次旋转90°。在第4步中,A相关闭、B相通电,极性与第2步相反。重复该顺序促使转子按90°的步距角顺时针旋转。
                步进电机工作原理及其控制
     
    图2中显示的步进顺序称为“单相激励”步进。更常用的步进方法是“双相激励”,其中电机的两相一直通电。但是,一次只能转换一相的极性,见图3所示。两相步进时,转子与定子两相之间的轴线处对直。由于两相一直通电,本方法比“单相通电”步进多提供了41.1%的力矩,但输入功率却为2倍。
           步进电机工作原理及其控制

半步步进
  电机也可在转换相位之间插入一个关闭状态而走“半步”。这将步进电机的整个步距角一分为二。例如,一个90°的步进电机将每半步移动45°,见图4。但是,与“两相通电”相比,半步进通常导致15%~30%的力矩损失(取决于步进速率)。在每交换半步的过程中,由于其中一个绕组没有通电,所以作用在转子上的电磁力要小,造成了力矩的净损失。
       步进电机工作原理及其控制
双极性绕组
  双相激励介绍了利用一种“双极性线圈绕组”的方法。每相用一个绕组,通过将绕组中电流反向,电磁极性被反向。典型的两相双极驱动的输出步骤在电气原理图和图5中的步进顺序中进一步阐述。按图所示,转换只利用绕组简单地改变电流的方向,就能改变该组的极性。
          步进电机工作原理及其控制
单极性绕组
  另一常用绕组是单极性绕组。其一个电极上有两个绕组,这种联接方式为当一个绕组通电时,产生一个北极磁场;另一个绕组通电,则产生一个南极磁场。因为从驱动器到线圈的电流不会反向,所以可称其为单极绕组。该步进顺序见图6所示。该设计使得电子驱动器简单化。但是,与双极性绕组相比,其力矩大约少30%,因为励磁线圈仅被利用了一半。
           步进电机工作原理及其控制

    四相步进电机按照通电顺序的不同,可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等,但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
    单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示:
 
        步进电机工作原理及其控制
用达林顿管驱动四相步进电机举例:(两相步进电机多采用H桥驱动,如L298N和L293D芯片)
      步进电机工作原理及其控制

步进电机类型及其辨别:
    对于业余爱好者来说,最容易得到的步进电机是单极性(又称双线或4相)和双极性(又称单线或两相)步进电机。
一、单极性步进电机
    这种步进电机之所以称为单极性是因为每个绕组中电流仅沿一个方向流动。它也被称为两线步进电机,因为它只含有两个线圈。两个线圈的极性相反,卷绕在同一铁芯上,具有同一个中间抽头。单极性步进电机还被称为4相步进电机,因为它有4个激励绕组。单极性步进电机的引线有5或6根。
如果步进电机的引线是5根,那么其中一根是公共线(连接到V+),其他4根分别连到电机的4相。如果步进电机的引线是6根,那么它是多段式单极性步进电机有两个绕组,每个绕组分别有一个中间抽头引线。但是如何分辨这些引线呢?请继续读下述内容。
1.分辨5线单极性步进电机接头
为了找出正确的引线顺序并使电机转动,需要一块电池和一段胶带(当然也需要一个5引线步进电机)。备好记号笔来标注引线以便分辨它们。按以下步骤操作:
①用数字万用表找到公共线。其他引线与  公共线之间的电阻测量值都相同。将此线连接到电池的V+。5V或6V就足够测试用了。
②胶带粘贴到步进电机的输出铀上,并使它垂直于轴端伸出成为一个标志。此标志的作用在于判断电机是否转动。
③任意挑出一条引线称之为相1。若将此线接地,则电机输出轴将做轻微的转动。现在步进电机被锁定在相1的位置上。
④取另一根引线并将其接地,仔细观察输出轴上的胶带。如果输出轴向右轻微地旋转,那么此根引线是相2。如果输出轴向左轻微地旋转,那么此根引线是相4。如果输出轴不旋转,那么此根引线就是相3。
2.分辨6线单极性步进电机接头
    回收打印机旧电机时最常遇到这种类型的单极性步进电机。6线单极性步进电机通常看起来像是两个单段式电机叠放在一起,每个单段有3根线引出。这种步进电机的引线非常容易分辨。
分辨6线步进电机引线顺序的工作相当简单。如果它的结构形式是多段式步进电机,那么引线的顺序实际上已经给出了,用数字万用表可以找出每对绕组的公共线。只要保持绕组对的两根引线对应一致,它们的顺序并无关紧要,仅会影响电机的旋转方向而已。
如果不是多段式的6线步进电机,可以按以下步骤确定绕组对的引线:
①使用数字万用表找出每对绕组的公共端。
②照上述方法能找出两个绕组对,分隔它们并加以标记。请将其中一个绕组对标记为A和C(也可以是1和3),另一个标记为B和D(也可以是2和4)。在每一对绕组中,哪条引线是何顺序并不重要,只要成对就足够了。
二、双极性步进电机
    双极性步进电机之所以如此命名,是因为每个绕组都可以两个方向通电。因此每个绕组都既可以是N极又可以是S极。它又被称为单绕组步进电机,因为每极只有单一的绕组,它还被称为两相步进电机,因为具有两个分离的线圈。
    双极性步进电机有四根引线,每个绕组两条。与同样尺寸和重量的单极性步进电极相比,双极性步进电机具有更大的驱动能力,原因在于其磁极(不是中间抽头的单一线圈)中的场强是单极性步进电机的两倍。双极性步进电机的每个绕组需要一个可逆电源,通常由H桥驱动电路提供。由于双极性步进电机比单极性步进电机的输出力矩大,因此总是应用于空间有限的设计中。这也是软盘驱动器的磁头步进机械系统的驱动之所以总是采用双极性步进电机的原因。
    可以相当简单地使用数字万用表来查找两个绕组。如果在某两根引线之间能够测量到阻值,那么这两根引线之间就属于一个绕组,其他两根线之间是另外一个绕组。双极性步进电机的步距通常是1.8°,也就是每周200步。
 

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