学文网摘要:步进电机是一种纯粹的数字控制电动机,又称为阶跃电机或脉冲电机。是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机,也可以看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电动机。它能将输入电脉冲信号转换成机械的运动量加以输出。每一个主令脉冲都可以使步进电机的转轴前进一个步距角,并依靠它特有的定位转矩将转轴准确地锁定在空间位置上,在实际工程中有着广泛的应用,文章主要探讨了步进电动机原理及其驱动电路的特点。
关键词:步进电动机;数字控制;驱动电路
中***分类号:TP331.2文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)34-9841-02
Motor Theory and Driving Circuit
HUA Da-long, YANG Ye, PAN Han-huai
(Huaian College of Information Technology, Huaian 223003, China)
Abstract: The stepper motor is a pure digital control of motors, also known as a step motor or pulse motor. Is an electrical pulse signal controlled by the brushless DC motor, it can be seen as a certain frequency range, speed and control of pulse frequency synchronization synchronous motor. It will be the input pulse signal to be converted into mechanical output of the exercise. Each pulse can be a Master stepper motor shaft to move a step angle and rely on its unique positioning shaft torque will be accurately locked position in space, in the actual project has a wide range of applications, the article mainly discusses the stepper motor drive circuit principle and its characteristics.
Key words: stepping motor; digital control; drive circuit
传统电动机作为机电能量转换装置,在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天,传统电动机的功能已不能满足各种运动控制系统的要求。为了适应这些要求,发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统,其中较有自己特点,且应用十分广泛的一类便是步进电机。近50年来,步进电机迅速发展而成熟起来,从发展趋向来讲,步进电机已经能与直流电动机,异步电动机,以及同步电动机并列,成为电动机的一种基本类型,步进电机己成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。
1 步进电机的工作原理
步进电机是一种完成增量运动的电磁机械。它能将输入电脉冲信号转换成机械的运动量加以输出。每一个主令脉冲都可以使步进电机的转轴前进一个步距角,并依靠它特有的定位转矩将转轴准确地锁定在空间位置上。步进电机是离散型自动化执行元件,是自动控制系统中的重要执行部件,它在系统中可实现变换脉冲数为转轴的角位移,起电磁制动器、电磁差分器、电磁减速器和角位移发生器等。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的元件,其转轴输出的角位移量与输入的脉冲个数有关,通过控制输入脉冲个数来控制步进电机的角位移量,而通过控制脉冲频率可实现调速。
步进电机只要由定子和转子组成。定子的主要结构是绕组,两相电机即有两个绕组,其它以此类推。绕组按一定的通电顺序工作,这个通电顺序称为步进电机“相序”。转子的主要结构是磁性转轴,当定子中的绕组在相序信号作用下有规律的通电,断电工作时,转子周围就会有一个按规律变化的电磁场,因此一个按规律变化的电磁力就会作用在转子上,转子总是力***转动到磁阻最小的位置,正是这样,让转子按一定的步距角转动,使转子发生转动。步进电机步距角θ的计算公式:θ=360°/NZ,其中N为步进电机中一个通电循环的拍数,Z为转子齿数。其中常见的反应式步进电机分为转子和定子两部分。定子是由硅钢片叠成的。定子上有6个磁极(大极),每2个相对的磁极(N、S极)组成1对,共有3对。每对磁极都缠有同一绕组,也即形成一相,这样3对磁极有3个绕组,形成三相。可以得出,四相步进电机有4对磁极、四相绕组,五相步进电机有5对磁极、5相绕组……依此类推。每个磁极得内表面都分布着多个小齿,它们大小相同,间距相同。电机一旦通电,在定转子间将产生磁场(磁通量中)当转子与定子错开一定角度产生力,力矩与电机有效体积正比,电机有效体积越大,励磁安匝数越大,定转子间气隙越小,电机力矩越大,反之亦然。
2 步进电动机的驱动电路
步进电机驱动系统中,控制器与驱动器之间的连接分为串行和并行控制两种。串行控制时,控制器输出时钟脉冲串和方向电平,靠驱动器中的脉冲分配器转换并行驱动信号,去控制各相绕组的导通或截止。这里时钟脉冲的有无决定了步进电机的运行或停止,脉冲频率决定步进电机运行的速度,方向电平决定运转的方向。并行控制时,控制器直接输出各相绕组导通或截止的并行信号,此时,脉冲分配器设在控制器中,除了由软件来代替脉冲分配器的功能外,不论是串行控制还是并行控制,整个系统中都必须有脉冲分配器这个环节。大部分PLC调速器采用与该PLC能够配套的驱动器和对应的步进电机,如***1所示。
步进电机可直接用数字信号控制,无需反馈可开环工作,无累积定位误差,控制精度高,因此被广泛用于数字控制和计算机控制等精密定位的控制系统中。可编程序控制器PLC是一种适于工业现场控制的技术平台。PLC综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术,使用面向过程、面向用户的简单编程语言,用户可通过软件设计,实现各种复杂的逻辑控制。
从应用的角度来看,制约步进电机的两个问题是失步和振荡,由于步进电机在大多数情况下采用开环运行的方式,它的主要运行性能完全依赖于驱动器、负载和电机本身。在多种情况下会产生失步,比如启动或停止频率超过突跳,电机高速运行的脉冲频率超过了最大运行频率,所带负载转矩超过了启动转矩,共振等。通过改善驱动器的性能,可以减小运行中失步的可能。步进电机低频振荡是另一个需要解决的问题。步进电机在极限频率下做连续步进运行,即改变一次通电状态,转子转过一个步距角。如果阻尼较小,这种运动是一个衰减的振荡过程,转子是按自由振荡频率振荡几次才衰减到新的平衡位置而停止下来。每来一个脉冲,转子都从新的转矩曲线的跃变中获得一次能量的补充,这种能量越大,振荡越厉害。当脉冲频率等于或者接近于电机的自由振荡频率时电机会出现严重的低频振荡,甚至失步导致无法工作,一般不允许在共振频率下运行。
3 结束语
步进电机伺服系统具有价格低,简单,可靠等交直流伺服系统无法比拟的优点,但由于它的运行速度低、驱动器效率低和发热量大等缺点,使它的使用范围受到限制,针对存在的问题,随着新材料、电机设计与制造技术,电力电子技术、微电子技术、控制技术等的进步,为步进电机驱动器性能的提高提供了条件,出现了许多步进电机驱动控制方式。步进电机控制系统由控制器,驱动器和步进电机组成。它们之间是相互配套的,目前的驱动器一般都为集成产品,而不是由分离产品构成,主要应用于各种工业场合,而对于小型水电站及对步进电机要求较低的场合,良好的步进电机驱动电路,应该是能够使步进电机在较大的转速范围内都有很强的负载能力。且要运转平稳,降低噪音,还要在一定程度上提高步进精度。
参考文献:
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