关于步进电机的简要介绍

作者:采集侠 发布时间:2019-11-09 03:14:45 点击数:82

步进电机是一种感应电机,是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。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,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度,称为“步距角”,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。

步进电机既是现代电子产品时代的产物,也是它的助推器。作为一项技术创新,它需要以下几个关键组件的发展:

•转子所需的小型、强力永久磁铁

•打开和关闭其电磁线圈的半导体功率器件

•以正确的顺序和定时驱动开关的智能电子部件

当然,成本必须低。作为一个技术助推器,一个关键因素是提供小型、低成本的高精度电机,这种电机存在广泛的应用空间,包括打印机、扫描仪、现金提取自动取款机、小型硬盘和磁带驱动器、相机平移/缩放/倾斜(PZT)控制器,以及我们周边的无数其它小到中型的设备(图1)。

关于步进电机的简要介绍

图1:由于其低成本和高性能,步进电机无所不在。在数不清的应用中,它们在工作时却不那么引人注目,如消费类打印机移动打印头和进纸。 (来源:IStockPhoto.com)

步进电机基础知识

为了解步进电机的基本结构,我们可以先来看看它的前身,目前仍然在广泛使用的无刷直流(BLDC)电机(图2)。在最常见的BLDC电机设计中,永久磁铁被放置在转子上,而电磁铁则缠绕在定子的外围。当电磁线圈通电时,由于转子永久磁铁和定子线圈之间的引力,转子将相应地排成直线。通过反转流向线圈的电流,或在旋转顺序上轮流开关一些电磁铁(两种技术都在使用,以应对不同的应用),遵循这些线圈产生的变化磁场,转子将开始转动。通过改变开关频率,电动机的转速也将改变。对于BLDC电机,加电序列的频率决定了转速。

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图2A:BLDC电机连线示意图。

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图2B:辐设计BLDC电机。理解步进电机的操作可以先从依然流行的无刷直流马达开始,后者是步进马达的前身,它利用了嵌入转子的永久磁铁和缠绕在定子周围的固定电磁线圈之间的相互作用。 (资料来源,图2A和2B:Dave Wilson,德州仪器)

固定切换的线圈与转子的永久磁铁相互作用,这一原则也是永磁步进电机的基础。这一基础设计存在许多变体,包括混合式电机,它将可变磁阻电机与步进电机结合了起来。为建造一个步进电机,需要确定转子上永久磁铁的数目——即所谓的极点——相比于BLDC电机有所增加,至少需要12(30°间隔)个,典型地可能多达200个(1.8°间距)(图3)。这里存在一个权衡:随着极数的增加,旋转的分辨率增加(通常是好事),但成本也增加,并且可用扭矩在下降(不好的一面)。

关于步进电机的简要介绍

图3:步进电机使用一圈电磁极与一组嵌入转子的永磁体阵列相互作用。随着这些磁极的通电和断电,转子跟随产生的磁场转动。 (来源:Anaheim Automation)

尽管是BLDC电机某种形式的扩展,步进电机却比前者复杂很多。受到转子磁体阵列的限制,电机仅可在有限的步伐或者增量内前进,并且将在给定的位置上停留,只要线圈保持通电并且没有后排序运作。其结果是,步进电机可以旋转到一个精确的角度,可以确位一个特定位置,以及很容易被控制以生成更大和更小的旋转量。虽然步进电机可用于连续旋转,但此时的表现还不如一个BLDC电机。相反,步进电机的优势在于能够根据需要旋转过或到特定的角度、停止、启动或者反转,并且快速完成这些需求。