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步進電機的控制原理

1.步進電機是將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的開環控制元件。在非過載的情況下,電機的轉速和停止位置只取決於脈沖信號的頻率和脈沖數,不受負載變化的影響,即電機加壹個脈沖信號,電機轉過壹個步距角。這種線性關系的存在,加上步進電機只有周期誤差,沒有累積誤差等特點。用步進電機控制速度和位置非常簡單。雖然步進電機已經得到了廣泛的應用,但步進電機不能像普通的DC電機和交流電機那樣用於日常工作中。必須由雙環脈沖信號和功率驅動電路組成的控制系統使用。所以,用好步進電機並不容易,涉及到機械、電機、電子、計算機等諸多專業知識。目前步進電機的生產廠家確實很多,但是有專業技術人員能自主開發的廠家很少。大部分只有壹二十個人,連最基本的設備都沒有。只是處於盲目模仿階段。這給用戶在產品選擇和使用上造成了很多困擾。鑒於以上情況,我們決定以廣泛使用的感應式步進電機為例。描述其基本工作原理。希望能對廣大用戶在整機的選擇、使用和改進上有所幫助。

二、感應式步進電機的工作原理(壹)反應式步進電機的原理比較簡單。下面介紹三相反應式步進電機的原理。

1.結構:電機轉子上有許多均勻分布的小齒,定子齒有三個勵磁繞組,它們的幾何軸線依次與轉子齒軸線錯開。0,1/3て,2/3て(兩相鄰轉子齒軸之間的距離為齒距,用て表示),即a與齒1對齊,b向右錯開1/3て,c向右錯開2/3。

2.旋轉:當A相通電,B相和C相不通電時,由於磁場的作用,齒1對準A(同樣適用於沒有任何力的轉子)。如果b相通電,而a相和c相斷電,齒2應與b對齊。此時,轉子通過1/3て.向右移動此時,齒3和c被1/3て偏移,齒4和a被偏移(て-1/3 て).如果c相通電,a相和b相未通電,齒3應與c對齊。此時,轉子向右移動1/3て,齒4和a的偏移量為1/3て.如果a相通電,b相和c相斷電,齒4與a對齊,轉子通過1/3て.向右移動這樣,A、B、C、A分別通電後,齒4(即齒1之前的齒)運動到A相,電機轉子向右轉動壹個節距。如果連續按A,B,C,如果妳按A,C,B,A...為了通電,電機將反轉。通過導通次數(脈沖數)和頻率可以看出電機的位置和速度是壹壹對應的關系。並且方向由傳導順序決定。但是,為了扭矩、穩定性、噪音和角度的降低。經常采用A-AB-B-BC-C-CA-A的導電狀態,將原來的步長由1/3改為1/6。甚至通過兩相電流的不同組合,由1/3て變為1/12て和1/24て,這是電機細分驅動的基本理論基礎。不難推導出電機定子上有M相勵磁繞組,其軸線與轉子齒軸的偏移分別為1/m,2/m … (m-1)/m,1。並且可以通過電機按照壹定的相序正反轉來控制導通——這是步進電機轉動的物理條件。只要滿足這個條件,理論上就可以制造任何相的步進電機。考慮到成本等方面,市面上壹般有二期、三期、四期、五期。

3.力矩:電機壹旦通電,定子與定子之間就會產生磁場(磁通量ф)。當轉子和定子錯開壹定角度時,力F與(dф/dθ)成正比。

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/rn I為勵磁繞組的安匝數(電流乘以匝數),r為磁阻。轉矩=力*半徑轉矩與電機有效體積*安匝數*磁密度成正比(只考慮線性狀態)。因此,電機有效體積越大,勵磁安匝數越大,定轉子氣隙越小,電機轉矩越大,反之亦然。

(2)感應步進電機

1.特點:與傳統的反應式步進電機相比,感應式步進電機的轉子在結構上設有永磁體,提供軟磁材料的工作點,而定子勵磁只需提供變化的磁場,不需要提供磁性材料工作點的能量消耗,因此電機效率高、電流小、發熱低。由於永磁體的存在,電機有很強的反電動勢,自身阻尼效果更好,運行時更加平穩,噪音低,低頻振動小。感應子步進電機在某種程度上可以看作是壹種低速同步電機。四相電機可以四相或兩相運行。(必須用雙極電壓驅動),而無功電機不能。比如四相八相運行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用兩相八拍運行方式。不難發現,它的條件是C=,D=。兩相電機內部繞組與四相電機完全壹致,小功率電機壹般直接接兩相,而功率較大的電機可以靈活改變電機動態,方便使用。

2.分類感應式步進電機可分為兩相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。按幀數(電機外徑)分為:42BYG(BYG是感應步進電機的代號)、57BYG、86BYG、110BYG(國際標準),而70BYG、90BYG、130BYG都是國內標準。

3.步進電機的靜態指標項相數:產生不同對極的N、S磁場的勵磁線圈數。常以m表示,拍數:完成壹個磁場或導電狀態的周期性變化所需的脈沖數用n表示,或指電機旋轉壹個槳距角所需的脈沖數。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,俯仰角對應壹個。θ=360度(轉子齒數J*運行節拍數),以常規的50轉子齒的兩相、四相電機為例。四拍的步角θ=360度/(50*4)=1.8度(俗稱全音步),八拍的步角θ=360度/(50*8)=0.9度(俗稱半音步)。定位力矩:電機不通電時電機轉子本身的鎖緊力矩(由磁場齒廓諧波和機械誤差引起);靜態扭矩:電機在額定靜電下不轉動時電機軸的鎖緊扭矩。這個扭矩是衡量電機體積(幾何尺寸)的壹個標準,與驅動電壓和電源無關。雖然靜轉矩與電磁勵磁安匝數成正比,與定轉子氣隙有關,但不宜過分減小氣隙和增加勵磁安匝數來提高靜轉矩,這樣會造成電機發熱和機械噪聲。

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