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步進電機基本結構和工作原理 Applications by MOONS'

步進電機基本結構和工作原理


步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元步進電機件,通過控制施加在電機線圈上的電脈沖順序、頻率和數量,可以實現對步進電機的轉向、速度和旋轉角度的控制。配合以直線運動執行機構或齒輪箱裝置,更可以實現更加復雜、精密的線性運動控制要求。步進電機一般由前后端蓋、軸承、中心軸、轉子鐵芯、定子鐵芯、定子組件、波紋墊圈、螺釘等部分構成,步進電機也叫步進器,它利用電磁學原理,將電能轉換為機械能,是由纏繞在電機定子齒槽上的線圈驅動的。通常情況下,一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管,而在電機中,繞在定子齒槽上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。

• 基本結構

 

 

• 工作原理

步進電機驅動器根據外來的控制脈沖和方向信號,通過其內部的邏輯電路,控制步進電機的繞組以一定的時序正向或反向通電, 使得電機正向/反向旋轉,或者鎖定。

1.8度兩相步進電機為例:當兩相繞組都通電勵磁時,電機輸出軸將靜止并鎖定位置。在額定電流下使電機保持鎖定的最大力矩為保持力矩。如果其中一相繞組的電流發生了變向,則電機將順著一個既定方向旋轉一步(1.8度)。同理,如果是另外一項繞 組的電流發生了變向,則電機將順著與前者相反的方向旋轉一步(1.8度)。當通過線圈繞組的電流按順序依次變向勵磁時,則電 機會順著既定的方向實現連續旋轉步進,運行精度非常高。對于 1.8度兩相步進電機旋轉一周需200步。

兩相步進電機有兩種繞組形式:雙極性和單極性。雙極性電機每相上只有一個繞組線圈,電機連續旋轉時電流要在 同一線圈內依次變向勵磁,驅動電路設計上需要八個電子開關進 行順序切換。
單極性電機每相上有兩個極性相反的繞組線圈,電機連續旋轉時只要交替對同一相上的兩個繞組線圈進行通電勵磁。驅動電路設 計上只需要四個電子開關。在雙極性驅動模式下,因為每相的繞組線圈為100%勵磁,所以雙極性驅動模式下電機的輸出力矩比單極性驅動模式下提高了約 40%。

2相(雙極性)步進電機
2相(單極性)步進電機

• 準確位置控制

步進電機以一個固定的步距角轉動,就像時鐘內的秒針。這個角度稱為基本步距角。鳴志提供兩種基本步距角來作為標準電機:基本步距角為1.8°的兩相步進電機和基本步距角為1.2°的三相步進電機
除標準電機以外,鳴志也提供其它基本步距角的步進電機,分別是0.72°,0.9°,1.5°,3.6°,3.75°。這些電機并沒有列在此目錄中,具體事宜請聯系鳴志公司。

• 簡單的脈沖信號控制

需高精度定位的系統如下所示。控制器發出的脈沖信號可以準確地控制步進電機的轉動角度和速度。

• 什么是脈沖信號?

脈沖信號是一個電壓反復在ON 和OFF 之間改變的電信號。
每個ON/OFF 周期被記為一個脈沖。單個脈沖信號指令使電機出力軸轉動一步。
對應電壓ON 和OFF 情況下的信號電平被分別稱為“H”和“L”。

• 轉動距離與脈沖數成比例關系

步進電機的轉動距離正比于施加到驅動器上的脈沖信號數(脈沖數)。
步進電機轉動(電機出力軸轉動角度)和脈沖數的關系如下所示:

• 轉速與脈沖頻率成比例關系

步進電機的轉速與施加到驅動器上的脈沖信號頻率成比例關系。
電機的轉速[r/min] 與脈沖頻率[Hz] 的關系如下(整步模式):

• 高力矩、小體積

步進電機的重要特征之一是高力矩、小體積。
這些特征使得電機具有優秀的加速和響應,使得這些電機非常適合那些需要頻繁啟動和停止的應用中。
鳴志也有帶減速機型電機可供選擇,以滿足低速下更高力矩的需求。

• 能夠頻繁啟動/ 停止

• 相同尺寸下的伺服電機與步進電機的速度力矩特性比較

• 電機在停止位置自保持

繞組通電時步進電機具有全部的保持力矩。這就意味著步進電機可以在不使用機械剎車的情況下保持在停止位置。

裝有電磁剎車的電機

一旦電源被切斷,電機自身的保持力矩丟失,電機不能在垂直操作中或施加外力作用下保持在停止位置。在提升和其它相似應用中需要使用帶電磁剎車的電機。

閉環伺服控制步進電機

鳴志創新性地將伺服控制技術融入步進電機之中,創造出具有全新優異性能表現的運動控制終端—步進伺服。步進伺服驅動器大大提升了步進電機的運行效果,具有控制更智能、運行更高效、結構更緊湊、定位更準確、運行更快速和平滑等諸多特點。

 

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