指针式电子石英钟步进马达工作原理

指针式电子石英钟步进马达工作原理
指针式电子石英钟步进马达工作原理

指针式电子石英钟步进马达工作原理

一、概述

采用现代先进技术的机电产品中,一般都包含着一个重要组成部分—伺服系统。指针式石英电子钟表机芯中采用的步进马达就是一个开环伺服系统,是将电脉冲信号变换成角位移的一种机电式数模转换器。

钟表用微型步进马达是随着七十年代指针式石英电子钟表的发展而设计和逐步完善的,其作用是把钟表CMOS集成电路输出的标准秒脉冲信号变成机械传动,从而带动轮系转动,传到指示机构使钟表指示时间。步进马达是把电能转换为机械能的一种装置,是一个换能器。

钟表用电机械换能装置有两种类型:

一类是连续旋转同步马达,现代石英电子钟表中已不采用。

另一类是电磁步进马达,分三种:一种是谐振式(又称振动式),通过电路的激磁脉冲,利用片簧、音叉、摆轮游丝等谐振体的振动,带动计数机构。第二种是摆动式往复运动步进马达,依靠永久磁钢转子与计数叉或棘轮棘爪机构的刚性连接来驱动轮片转动,有动铁式和动圈式两种。由于结构复杂,工艺性差,正在逐步被淘汰。第三种是同向旋转运动的

旋转式脉冲马达即单相永磁步进马达,利用每秒钟接受来自集成电路的一个脉冲电源信号使转子转动,并带动齿轮旋转。

二、步进马达的结构

石英钟表步进马达的结构形式虽然有许多种,但其基本结构是相同的,均有定子片(用导磁率高的坡莫合金制成)转子(磁特性良好的钐钴台金)和线圈(绕在坡莫台金线架上的高强度漆包线)所组成。

钟表用永磁转子型步进马达,有一对或几对磁极,能在绕有线圈的定子一步一步转动而驱动轮系旋转。

在石英钟中常用的典型结构为径向磁路,一对极,均匀气隙,集线圈的单向永磁式步进马达,常见的形式有三种:第一种是径向磁路双偏心一对极单相永磁步进马达(如图1)。

第二种是径向磁路双凹坑式或单凹坑式单相永磁步进马达(如图2)。

第三种是一体插入式径向磁路单相永磁步进马达(如图3)。

第四种是阶梯气隙定子径向磁路三对极单相永磁步进马达(如图4)。在手表中常用的型号有两种。一种是转子磁钢径向充磁不均匀气隙的单相永磁步进马达,有定子片左右断开的二极双偏心式结构(图1),还有定子片做成一体的二极双

凹坑式和二极单凹坑式等结构(图2)。另一种是转子磁钢轴向充磁的双定子式步进马达,定子片为双层结构,转子按N-S 交替轴向充磁成六对极。属组件式马达,并固定在机壳(如图5)。

三、步进马达的工作原理

定子片由高导磁性能的坡莫合金制成,并绕有线圈,定子片环抱着一个带有齿轴的转子,转子采用高性能的永久磁钢钐钴合金制成,在上边按N-S极充磁(永久磁铁),转子产生转动力矩,带动传动轮系转动。

石英钟表步进马达通常是在双向脉冲的驱动下进行步进运动的。CMOS IC每一秒钟发出一个驱动脉冲,在一个脉

冲的作用下转子转动180°,通常步进马达2秒钟转动1圈。

步进马达的工作原理是当定子线圈不通电时,由于转子和定子间隙不等形成不均匀气隙,转子停留在稳定平衡位置,转子磁极中心线与定子磁极中心线偏转一个位置角,形成定位力矩。当线圈通电后,定子片被磁化,并与转子磁极作用,同性相斥,异性相吸,当克服了转子的定位力矩后,产生旋转力矩,使转子产生逆时针方向旋转,转角180°,并重新在定位力矩作用下而静止,所需时间为1秒钟。

由于线圈输入交变电流而改变定子片磁极位置,重新与转子磁极作用,促使转子朝单一方向继续间歇旋转一个步距角180°。这样双极转子马达输人正负脉冲一次,转子转动一周,需要2秒钟。当下次正脉冲再次输人线圈时转子开始第二次循环,不断驱动轮系远动。

四、步进马达的工作步骤和过程

步进马达的结构形式尽管多种多样,但大部分是通过设计造成不均匀气隙,使步进马达有一定的定位力矩,在电路脉冲电源的驱动下,保持单方向旋转,并能输出一定的转矩。现以二极双偏心式步进马达来说明其工作步骤和过程。

步进马达的工作过程可分为4步:

1、线圈不通电时,转子停留在稳定平衡位置,在不均匀气隙小处,位置角α=45°(如随6)。

2、线圈通电输入正脉冲,定子片被磁化,磁极方向根

据右手定则而定,右定子磁性为N极,左定子磁性为S极。在磁铁部磁力线由S极到N极,形成连续不间断的闭合回路。根据磁极同性相斥,异性相吸原理转子产生转矩而逆时针方向旋转(由机芯装配面看,如图7)。

3、电流捎失,转手依靠动能继续转动,并产生角加速度,当转子转过180°后,产生了负角加速度,迫使转子回到平衡位置方向,这样振荡几次后转子静止。转子被定位力矩作用重新静止在稳定平衡位置,转子已按逆时针方向转过步矩角180°,时间为1秒钟(如图8)。

4、输入负脉冲电流,定子片被磁化,极性与正脉冲时相反,并与转子作用产生转矩,转子继续逆时针旋转180°(同样需反复振荡次)。当电流消失时,转子回到了原来的稳定平衡位置而静止不动。转子在2秒钟转过360°(如图9)。

5、电路绐马达提供供的第一个脉冲电流的方向不能使转子正常步进时,等第二个脉冲到来时,转子即能正常步进。此时秒针会先抖动一下。若第一个来的是负脉冲信号,根据

右手定则,定子片右边S极、左边N极、与转子相吸引使转子顺时针方向转动。固转子得到的能量不大,超过中心线后即磁场使转子减速。当电流很快消失后,转子在逆时针定位力矩作用下,又回到原来位置,转子停转,不能转动180°。在第二个正脉冲来到时,即能按正常步骤逆时针转动了(如图10)。

在石英电子表中,通常采用一体式定子片(如图2所示)。因为定子外的凹坑部分形成磁桥的最小宽度很小仅有0.1mm,输入脉冲时定子被磁化,起初线圈发生的磁通较少,磁桥处通过疏磁通,当线圈发出磁通密度逐渐增加时,磁桥处出现饱和现象,相当于把左右定子断开,从而形成N极和S极,其工作过程与二极双偏心式马达相同。

五、小结

对石英电子钟表用步进马达,要求工作可靠,转换效率高,工作电压低功耗小,体积小,结构加工简单和装配工艺性好,噪音要小,适用于大量生产,成本低,维修方便。最常用的结构形式是:

指针式石英电子手表常用一对磁极的永磁转子型,双凹坑式单相永磁步进马达(如图2所示)。

指针式石英钟常用一对磁极的径向磁路双偏心式单相永磁步进马达(如图1所示)。

步进电动机的工作原理与特点

步进电动机的工作原理及特点随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中,其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统,对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。 1 步进电机概述 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机,国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper servo,其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机,其位移速度与脉冲频率成正比,位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成,可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场,该矢量场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此,控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压,转子就旋转一个步距角,称为一步。根据电压脉冲的分配方式,步进电机各相绕组的电流轮流切换,在供给连续脉冲时,就能一步一步地连续转动,从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同,在不丢步的情况下运行,其步距误差不会长期积累。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,同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差,精度高,步进电动机可以在宽广的频率围通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等,这是步进电动机最突出的优点[1]。 正常情况下,步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比;连续输入一定频率的脉冲时,电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系,不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入,所以特别适合于微机控制。 2国外的研究概况 步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用,例如、、、、都生产,而且都在各行业使用,驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的,当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路,还有电容耦合输入的计数器,触发器,环形分配器。国外在大功率的工业设备驱动上,目前基本不使用大扭矩步进电动机,因为从驱动电路的成本,效率,噪音,加速度,绝对速度,系统惯量与最大扭矩比来比较,比较不划算,还是用直流电动机,加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用,就用空心转杯电机,交流电机。国外在小功率的场合,还使用步进电机,例如一些工业器材,工业生产装备,打印机,复印件,速印机,银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用,除了前面提到的旋转编码器,打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机,实现闭环直线位移控制。国过去是用大力矩步进电动机实现机床数控,有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床,在驱动设备的主要差距,是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强,先进的控制理论作为软件,写在控制器部。 总的来说,步进电机是一种简易的开环控制,对运用者的要求低,不适合在大功率的场合使用。 在卫星、雷达等应用场合,中国在文化大革命后期,就生产了力矩电机,就生产了环形

步进电机工作和控制原理

步进电机工作和控制原理 一、综述 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。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的一种开环线性执行元件,具有无累积误差、成本低、控制简单特点。产品从相数上分有二、三、四、五相,从步距角上分有0.9°/1.8°、0.36°/0.72°,从规格上分有口42~φ130,从静力矩上分有 0.1N·M~40N·M。签于上述情况,我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。 二、感应子式步进电机工作原理 (一)反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。 1、结构: 电机转子均匀分布着很多小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3て、2/3て,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示),即A与齿1相对齐,B与齿2向右错开1/3て,C与齿3向右错开2/3て,A'与齿5相对齐,(A'就是A,齿5就是齿1)下面是定转子的展开图: 2、旋转: 如A相通电,B,C相不通电时,由于磁场作用,齿1与A对齐,(转子不受任何力以下均同)。 如B相通电,A,C相不通电时,齿2应与B对齐,此时转子向右移过1/3て,此时齿3与C偏移为1/3て,齿4与A偏移(て-1/3て)=2/3て。 如C相通电,A,B相不通电,齿3应与C对齐,此时转子又向右移过1/3て,此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电,B,C相不通电,齿4与A对齐,转子又向右移过1/3て

步进电机的工作原理其原理图

一、前言 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。 虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机,交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少,但具有专业技术人员,能够自行开发,研制的厂家却非常少,大部分的厂家只一、二十人,连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况,我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。 二、感应子式步进电机工作原理 (一)反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。 1、结构: 电机转子均匀分布着很多小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示),即A与齿1相对齐,B与齿2向右错开1/3て,C与齿3向右错开2/3て,A'与齿5相对齐,(A'就是A,齿5就是齿1)下面是定转子的展开图: 2、旋转:

如A相通电,B,C相不通电时,由于磁场作用,齿1与A对齐,(转子不受任何力以下均同)。如B相通电,A,C相不通电时,齿2应与B对齐,此时转子向右移过1/3て,此时齿3与C 偏移为1/3て,齿4与A偏移(て-1/3て)=2/3て。如C相通电,A,B相不通电,齿3应与C 对齐,此时转子又向右移过1/3て,此时齿4与A偏移为1/3て对齐。如A相通电,B,C相 不通 电,齿4与A对齐,转子又向右移过1/3て这样经过A、B、C、A分别通电状态,齿4(即齿1前一齿)移到A相,电机转子向右转过一个齿距,如果不断地按A,B,C,A……通电,电机就每步(每脉冲)1/3て,向右旋转。如按A,C,B,A……通电,电机就反转。 由此可见:电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由导电 顺序决定。 不过,出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A 这种导电状态,这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合,使其1/3て变为1/12て,1/24て,这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出:电机定子上有m相励磁绕阻,其轴线分别与转子齿轴线偏移 1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机,出于成本等多方面考虑,市场上一般以二、三、四、五相为多。 3、力矩: 电机一旦通电,在定转子间将产生磁场(磁通量Ф)当转子与定子错开一定角度产生力F 与(dФ/dθ)成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br为磁密,S为导磁面积,F与L*D*Br成正比L为铁芯有效长度,D 为转子直径Br=N·I/R N·I为励磁绕阻安匝数(电流乘匝数)R为磁阻。 力矩=力*半径

伺服电机工作原理及和步进电机的区别

伺服电机工作原理及和步进电机的区别 伺服电机内部的转子是永磁铁,驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场,转子在此磁场的作用下转动,同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器,驱动器根据反馈值与目标值进行比较,调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度(线数)。 什么是伺服电机?有几种类型?工作特点是什么? 答:伺服电动机又称执行电动机,在自动控制系统中,用作执行元件,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降.。 请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别? 答:交流伺服要好一些,因为是正弦波控制滚珠丝杆,转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单,便宜。永磁交流伺服电动机20世纪80年代以来,随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展,永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展,各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向,使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后,世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。 永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较,主要优点有:⑴无电刷和换向器,因此工作可靠,对维护和保养要求低。⑵定子绕组散热比较方便。⑶惯量小,易于提高系统的快速性波纹管联轴器。⑷适应于高速大力矩工作状态。 ⑸同功率下有较小的体积和重量。 伺服和步进电机 伺服主要靠脉冲来定位,基本上可以这样理解,伺服电机接收到1个脉冲,就会旋转1个脉冲对应的角度,从而实现位移,因为,伺服电机本身具备发出脉冲的功能,所以伺服电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,这样,和伺服电机接受的脉冲形成了呼应,或者叫闭环,如此一来,系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机,同时又收了多少脉冲回来,这样,就能够很精确的控制电机的转动,从而实现精确的定位,可以达到0.001mm。 步进电机是一种离散运动的装置,它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中,步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现,交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势,运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似(脉冲串和方向信号)弹性联轴器,但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°,五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机,其步距角为0.09°;德国百格拉公司(BERGER LAHR)生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°,兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例,对于带标准2500线编码器的电机而言,由于驱动器内部采用了四倍频技术,其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言,驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈,即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。 二、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关,一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时,一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象,比如在电机上加阻尼器,或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳膜片联轴器,即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能,可涵盖机械的刚性不足,并且系统内部具有频率解析机能(FFT),可检测出机械的共振点,便于系统调整。 三、矩频特性不同

步进电机驱动器工作原理

步进电机驱动器工作原理 步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移,并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等。 有时从一些旧设备上拆下的步进电机(这种电机一般没有损坏)要改作它用,一般需自己设计驱动器。本文介绍的就是为从一日本产旧式打印机上拆下的步进电机而设计的驱动器。本文先介绍该步进电机的工作原理,然后介绍了其驱动器的软、硬件设计。 1. 步进电机的工作原理 该步进电机为一四相步进电机,采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电,就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。 图1 四相步进电机步进示意图 开始时,开关SB接通电源,SA、SC、SD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐,同时,转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿,2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。 当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时,由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用,使转子转动,1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿,2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推,A、

B、C、D四相绕组轮流供电,则转子会沿着A、B、C、D方向转动。 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:

图2.步进电机工作时序波形图2.基于AT89C2051的步进电机驱动器系统电路原理

步进电动机的结构与工作原理

步进电动机的结构与工作原 理 -标准化文件发布号:(9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

步进电动机的结构与工作原理 步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲,电机转动一个角度,带动机械移动一小段距离。 步进电动机 步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。主要要求:动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。 步进电动机的特点: (1)来一个脉冲,转一个步距角。 (2)控制脉冲频率,可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序,改变方向。 步进电动机的种类 根据励磁式方式的不同分为:反应式、永磁式和混合式(又叫感应子式)三种。反应式步进电机的应用较多。 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。 图7-20 (a)三相反应式步进电动机工作原理图 A 相通电,A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度,则在磁场的作用下,转子被磁化,吸引转子,使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小,使转、定子的齿对齐停止转动。 A 相通电使转子1、3齿和 AA' 对齐。

图7-20 (b)三相反应式步进电动机工作原理图 同理,B相通电,转子2、4齿和B相轴线对齐,相对A相通电位置转30; 图7-20 (c)三相反应式步进电动机工作原理图 最后,C相通电,转子1、3齿和C相轴线对齐,相对B相通电比较,转子再次转动30。 步进电动机的结构 步进机主要由两部分构成:定子和转子。它们均由磁性材料构成,以三相为例其定子和转子上分别有六个、四个磁极。

步进电动机结构简图 定子的六个磁极上有控制绕组,两个相对的磁极组成一相。 注意:这里的相和交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲,这主要是指线图的联接 和组数的区别。 图7-22 三相反应式步进电动机结构原理图 步进电动机工作方式 (以三相步进电机为例)步进电机的工作方式可分为:三相单三拍、三相六拍、三相双三拍等。

步进电机的原理,分类,细分原理

步进电机原理及使用说明 一、前言 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。 虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机,交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的一种开环线性执行元件,具有无累积误差、成本低、控制简单特点。产品从相数上分有二、三、四、五相,从步距角上分有0.9°/1.8°、0.36°/0.72°,从规格上分有口42~φ130,从静力矩上分有0.1N?M~40N?M。 签于上述情况,我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。 二、感应子式步进电机工作原理 (一)反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。 1、结构: 电机转子均匀分布着很多小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3て、2/3て,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示),即A与齿1相对齐,B与齿2向右错开1/3て,C与齿3向右错开2/3て,A…与齿5相对齐,(A…就是A,齿5就是齿1)下面是定转子的展开图: 2、旋转: 如A相通电,B,C相不通电时,由于磁场作用,齿1与A对齐,(转子不受任何力以下均同)。 如B相通电,A,C相不通电时,齿2应与B对齐,此时转子向右移过1/3て,此时齿3与C偏移为1/3て,齿4与A偏移(て-1/3て)=2/3て。 如C相通电,A,B相不通电,齿3应与C对齐,此时转子又向右移过1/3て,此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电,B,C相不通电,齿4与A对齐,转子又向右移过1/3て 这样经过A、B、C、A分别通电状态,齿4(即齿1前一齿)移到A相,电机转子向右转过一个齿距,如果不断地按A,B,C,A……通电,电机就每步(每脉冲)1/3て,向右旋转。如按A,C,B,A……通电,电机就反转。 由此可见:电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过,出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态,这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合,使其1/3て变为1/12て,1/24て,这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出:电机定子上有m相励磁绕阻,其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。

步进电机工作原理及功能运用

步进电机工作原理及功能运用 双击自动滚屏发布者:admin 发布时间:2012-02-18 03:06:33 阅读:495次【字体:大中小】步进电机的概术: 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组件,是目前行业设备的主要配件,如剥线机设备就需要用到此步进电机。 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。 单相步进电机有单路电脉冲驱动,输出功率一般很小,其用途为微小功率驱动。多相步进电机有多相方波脉冲驱动,用途很广。使用多相步进电机时,单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号,在经功率放大后分别送入步进电机各项绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器,电机各相的通电状态就发生变化,转子会转过一定的角度(称为步距角)。正常情况下,步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比;连续输入一定频率的脉冲时,电机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系,不受电压波动和负载变化的影响。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。 步进电机按旋转结构分两大类:1是圆型旋转电机如下图A 2直线型电机,结构就象一个圆型旋转电机被展开一样,如下图B 步进电机的别称 步进电机(stepping motor),步进电机(step motor),或者是脉冲电机(pulse motor),其它的如(stepper motor)等……有着各式各样的称呼方式,这些用日本话来表示的时候,就成为阶动电动机,还有,阶动就是一步一步阶段动作的意思,这各用另外一种语言来表示时,就是成为步进驱动的意思,总之,就是输入一个脉冲就会有一定的转角,分配转轴变位的电动机。 一、步进电机的特点

步进电机结构及工作原理简介

步进电机结构简介 按照励磁方式分类,步进电机可分为反应式、永磁式和感应子式。其中反应式步进电机用的比较普遍,结构也较简单。本课题采用的也是此类电机。 反应式步进电机又称为磁阻式步进电机,其典型结构如图1所示。这是一台三相电机,定子铁心由硅钢片叠成,定子上有6个磁极,每个磁极上又各有5个均匀分布的矩形小齿。三相电机共有三套定子控制绕组,绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。转子也是由叠片铁心构成,转子上没有绕组,而是由40个矩形小齿均匀分布在圆周上,相邻两齿之间的夹角为9度。 下面简述其工作原理。 当某相绕组通电时,对应的 磁极就会产生磁场,并与转 子形成磁路。若此时定子的 小齿与转子的小齿没有对 齐,则在磁场的作用下,转 子转动一定的角度使转子齿 与定子齿对应。由此可见, 错齿是促使步进电机旋转的 根本原因。例如,在单三拍 运行方式中,当A相控制绕组通电,而B、C相都不通电时,由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点,所以转子齿与A相定子齿对齐。若以 此作为初始状态,设与A相磁极中心磁极的图1 步进电机剖面结构转子齿为0号齿,由于B相磁极与A相磁极相差120度,且120度/9度=13.333不为整数,所以,此时13号转子齿不能与B 相定子齿对齐,只是靠近B相磁极的中心线,与中心线相差3度。如果此时突然变为B相通电,而A、C 相都不通电,则B相磁极迫使13号小齿与之对齐,整个转子就转动3度。此时称电机走了一步。 同理,我们按照A→B→C→A顺序通电一周,则转

子转动9度。转速取决于各控制绕组通电和断电的频率(即输入脉冲频率),旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。如上述绕组通电顺序改为A →C →B →A ······则电机转向相反。 这种按A →B →C →A ······方式运行的称为三相单三拍,“三相”是指步进电机具有三相定子绕组,“单”是指每次只有一相绕组通电,“三拍”是指三次换接为一个循环。 此外,三相步进电机还可以以三相双三拍和三相六拍方式运行。三相双三拍就是按AB →BC →CA →AB ······方式供电。与单三拍运行时一样,每一循环也是换接3次,共有3种通电状态,不同的是每次换接都同时有两相绕组通电。三相六拍的供电方式是A →AB →B →BC →C →CA →A ······每一循环换接六次,共有六种通电状态,有时只有一相绕组通电,有时有两相绕组通电。 磁阻式步进电机的步距角可由下边公式求得 r McCZ Q 360 ⑴ 式中Mc 为控制绕组相数,C 为状态系数,三相单三拍或双三拍时C =1,三相六拍时C =2。Zr 为转子齿数,本课题使用的36BF003型步进电机转子齿数为40。

两相步进电机驱动器工作原理

两相步进电机驱动器工作原理 1. 步进电机的工作原理 该步进电机为一四相步进电机,采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电,就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。 图1 四相步进电机步进示意图 开始时,开关SB接通电源,SA、SC、SD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐,同时,转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿,2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。 当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时,由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用,使转子转动,1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿,2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推,A、B、C、D四相绕组轮流供电,则转子会沿着A、B、C、D方向转动。 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:图2.步进电机工作时序波形图 2.基于AT89C2051的步进电机驱动器系统电路原理 图3 步进电机驱动器系统电路原理图 A T89C2051将控制脉冲从P1口的P1.4~P1.7输出,经74LS14反相后进入9014,经9014放大后控制光电开关,光电隔离后,由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大,驱动步进电机的各相绕组。使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。图中L1为步进电机的一相绕组。A T89C2051选用频率22MHz的晶振,选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小AT89C2051对上位机脉冲信号周期的影响。 图3中的RL1~RL4为绕组内阻,50Ω电阻是一外接电阻,起限流作用,也是一个改善回路时间常数的元件。D1~D4为续流二极管,使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管(D1~D4)而衰减掉,从而保护了功率管TIP122不受损坏。 在50Ω外接电阻上并联一个200μF电容,可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿,提高了步进电机的高频性能。与续流二极管串联的200Ω电阻可减小回路的放电时间常数,使绕组中电流脉冲的后沿变陡,电流下降时间变小,也起到提高高频工作性能的作用。 3.软件设计 该驱动器根据拨码开关KX、KY的不同组合有三种工作方式供选择: 方式1为中断方式:P3.5(INT1)为步进脉冲输入端,P3.7为正反转脉冲输入端。上位机(PC机或单片机)与驱动器仅以2条线相连。 方式2为串行通讯方式:上位机(PC机或单片机)将控制命令发送给驱动器,驱动器根据控制命令自行完成有关控制过程。

(完整word版)步进电机控制工作原理

步进电机控制工作原理 步进电机的名称 步进电机(stepping motor),步进电机(step motor),或者是脉冲电机(pulse motor),其它的如(stepper motor)等……有着各式各样的称呼方式,这些用日本话来表示的时候,就成为阶动电动机,还有,阶动就是一步一步阶段动作的意思,这各用另外一种语言来表示时,就是成为步进驱动的意思,总之,就是输入一个脉冲就会有一定的转角,分配转轴变位的电动机。 步进电机简介: 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组件。 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。 单相步进电机有单路电脉冲驱动,输出功率一般很小,其用途为微小功率驱动。多相步进电机有多相方波脉冲驱动,用途很广。使用多相步进电机时,单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号,在经功率放大后分别送入步进电机各项绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器,电机各相的通电状态就发生变化,转子会转过一定的角度(称为步距角)。正常情况下,步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比;连续输入一定频率的脉冲时,电机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系,不受电压波动和负载变化的影响。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。 步进电机按旋转结构分两大类:1是圆型旋转电机如下图A 2直线型电机,结构就象一个圆型旋转电机被展开一样,如下图B 一,步进电机的种类 现在,在市场上所出现的步进电机有很多种类,依照性能及使用目的等有各自不同的区分使用。

步进电机驱动器的工作原理

步进电机驱动器的工作原理 步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移,并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等。 有时从一些旧设备上拆下的步进电机(这种电机一般没有损坏)要改作它用,一般需自己设计驱动器。本文介绍的就是为从一日本产旧式打印机上拆下的步进电机而设计的驱动器。本文先介绍该步进电机的工作原理,然后介绍了其驱动器的软、硬件设计。 1. 步进电机的工作原理 该步进电机为一四相步进电机,采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电,就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。 图1 四相步进电机步进示意图

开始时,开关SB接通电源,SA、SC、SD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐,同时,转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿,2、5号齿就和D、A相绕组磁极产 生错齿。 当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时,由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用,使转子转动,1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿,2、5号齿就和A、D相绕组磁极 产生错齿。依次类推,A、B、C、D四相绕组轮流供电,则转子会沿着A、B、C、D方向 转动。 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: 图2.步进电机工作时序波形图 2.基于AT89C2051的步进电机驱动器系统电路原理 图3 步进电机驱动器系统电路原理图

步进电机基本工作原理

步进电机基本原理 电机将电能转换成机械能,步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是精确的,并可重复,这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原因。 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。

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。 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。 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

步进电动机的结构与工作原理

步进电动机的结构与工作原理 步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲,电机转动一个角度,带动机械移动一小段距离。 步进电动机 步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。主要要求:动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。 步进电动机的特点: (1)来一个脉冲,转一个步距角。 (2)控制脉冲频率,可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序,改变方向。 步进电动机的种类 根据励磁式方式的不同分为:反应式、永磁式和混合式(又叫感应子式)三种。反应式步进电机的应用较多。 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。 图7-20 (a)三相反应式步进电动机工作原理图 A 相通电,A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度,则在磁场的作用下,转子被磁化,吸引转子,使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小,使转、定子的齿对齐停止转动。

A 相通电使转子1、3齿和AA' 对齐。 图7-20 (b)三相反应式步进电动机工作原理图 同理,B相通电,转子2、4齿和B相轴线对齐,相对A相通电位置转30 ; 图7-20 (c)三相反应式步进电动机工作原理图 最后,C相通电,转子1、3齿和C相轴线对齐,相对B相通电比较,转子再次转动30 。 步进电动机的结构 步进机主要由两部分构成:定子和转子。它们均由磁性材料构成,以三相为例其定子和转子上分别有六个、四个磁极。

步进电动机结构简图 定子的六个磁极上有控制绕组,两个相对的磁极组成一相。 注意:这里的相和交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲,这主要是指线图的联接和组数的区别。

步进电机的工作原理及其原理图

步进电机的工作原理及其原理图

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一、前言 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。 虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机,交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少,但具有专业技术人员,能够自行开发,研制的厂家却非常少,大部分的厂家只一、二十人,连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况,我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。 二、感应子式步进电机工作原理 (一)反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。 1、结构: 电机转子均匀分布着很多小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示),即A与齿1相对齐,B与齿2向右错开1/3て,C与齿3向右错开2/3て,A'与齿5相对齐,(A'就是A,齿5就是齿1)下面是定转子的展开图: 2、旋转: 如A相通电,B,C相不通电时,由于磁场作用,齿1与A对齐,(转子不受任何力以下均同)。如B相通电,A,C相不通电时,齿2应与B对齐,此时转子向右移过1/3て,此时齿3与C 偏移为1/3て,齿4与A偏移(て-1/3て)=2/3て。如C相通电,A,B相不通电,齿3应与C 对齐,此时转子又向右移过1/3て,此时齿4与A偏移为1/3て对齐。如A相通电,B,C相 不通

步进电动机概念及其工作原理

步进电动机概念及其工作原理 1.步进电机概述 步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件,它实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动,输出功率一般很小,其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动,用途很广。 使用多相步进电动机时,单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号,在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器,电动机各相的通电状态就发生变化,转子会转过一定的角度(称为步距角)。 正常情况下,步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比;连续输入一定频率的脉冲时,电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系,不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入,所以特别适合于微机控制。 1.1步进电机的特性 步进电机转动使用的是脉冲信号,而脉冲是数字信号,这恰是计算机所擅长处理的数据类型。从20世纪80年代开始开发出了专用的IC驱动电路,今天,在打印机、磁盘器等的OA装置的位置控制中,步进电机都是不可缺少的组成部分之一。总体上说,步进电机有如下优点: 1.不需要反馈,控制简单。 2.与微机的连接、速度控制(启动、停止和反转)及驱动电路的设计比较简单。3.没有角累积误差。 4.停止时也可保持转距。 5.没有转向器等机械部分,不需要保养,故造价较低。 6.即使没有传感器,也能精确定位。 7.根椐给定的脉冲周期,能够以任意速度转动。 但是,这种电机也有自身的缺点。 8.难以获得较大的转矩 9、不宜用作高速转动 10.在体积重量方面没有优势,能源利用率低。 11.超过负载时会破坏同步,速工作时会发出振动和噪声。 1.2 步进电机的种类 目前常用的步进电机有三类: 1、反应式步进电动机(VR)。 采用高导磁材料构成齿状转子和定子,其结构简单,生产成本低,步距角可以做的相当小,但动态性能相对较差。 2、永磁式步进电动机(PM)。 转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁,在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动,转动步的角度一般是7.50。它的出力大,动态性能好;但步距角一般比较大。 3、混合步进电动机(HB)。 这是PM和VR的复合产品,其转子采用齿状的稀土永磁材料,定子则为齿状的突起结构。此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点,步距角小,出力大,动态性能好,是性能较好的一类步进电动机,在计算机相关的设备中多用此类电机。 2、步进电机的工作原理

步进电动机的结构和工作原理

步进电动机的结构和工作原理 步进电动机的结构: 按照励磁方式分类,步进电动机可分为反应式、永磁式和感应子式。 反应式步进电动机用的比较普遍,结构也较简单。反应式步进电动机又称为磁阻式步进电动机,由定子和转子组成,其定子、转子均由软磁材料冲制、迭压而成。定子上安装多相励磁绕组,转子上无绕组,转子圆周外表面均匀分布若干齿和槽。定子上均匀分布若干个大磁极,每个大磁极上有数个小齿和槽。图1为三相反应式步进电动机结构示意图,反应式步进电动机相数一般为三相、四相、五相、六相。 图1 永磁式步进电动机是转子或定子任何一方具有永磁材料的步进电动机。其结构见图2。永磁式步进电动机没有永磁材料的一方有励磁绕组,绕组通电后,建立的磁场与永磁材料的恒定磁场相互作用产生电磁转矩,励磁绕组一般为二相或四相。

图2 步进电动机的工作原理: 通常电动机的转子为永磁体,当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲,电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序,电动机就会反转。所以,可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电动机的转动。例如,单三拍的通电方式,A相首先通电(B、C两相不通电),产生A-A′轴线方向的磁通,并通过转子形成闭合回路。这时A、A′极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下,转子总是力图转到磁阻最小的位置,也就是要转到转子对齐A、A′极的位置;接着B相通电(A、C两相不通电),转子便顺时针方向转过30°,和B、B′极对齐;然后C相通电(A、B两相不通电),转子又会顺时针方向转过30°,和C,C′极对齐,当脉冲信号一个一个发来时,转子便会一步一步的顺时针转动,如果按A→C→B→A→…的顺序通电,则电动机转子便逆时针方向转动。这就是步进电动机的工作原理。

步进电机的种类结构及工作原理

步进电机的种类、结构及工作原理 步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。在此系统中,执行元件是步进电机。它受驱动控制线路的控制,将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移,并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测环节,它的精度较差,速度也受到步进电机性能的限制。但它的结构和控制简单、容易调整,故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用价值。 1.步进电机的种类 步进电机的分类方式很多,常见的分类方式有按产生力矩的原理、按输出力矩的大小以及按定子和转子的数量进行分类等。根据不同的分类方式,可将步进电机分为多种类型,如表5-1所示。 表5-1 步进电机的分类 2.步进电机的结构

目前,我国使用的步进电机多为反应式步进电机。在反应式步进电机中,有轴向分相和径向分相两种,如表5--1所述。 图5--2是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。它与普通电机一样,分为定子和转子两部分,其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成,其形状如图中所示。定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈,在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起,构成一相控制绕组。图5--2所示的步进电机可构成三相控制绕组,故也称三相步进电机。若任一相绕组通电,便形成一组定子磁极,其方向即图中所示的NS极。在定子的每个磁极上,即定子铁心上的每个齿上又开了5个小齿,齿槽等宽,齿间夹角为9°,转子上没有绕组,只有均匀分布的40个小齿,齿槽也是等宽的,齿间夹角也是9°,与磁极上的小齿一致。此外,三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距,如图5--3所示。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时,B相磁极上的齿刚好超前(或滞后)转子齿1/3齿距角,C相磁极齿超前(或滞后)转子齿2/3齿距角。 图5-2 单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图 图5-3 步进电机的齿距 图5--4是一个五定子、轴向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。从图中可以看出,步进电机的定子和转子在轴向分为五段,每一段都形成独立的一相定子铁心、定子绕组和转子,图5--5所示的是其中的一段。各段定子铁心形如内齿轮,由硅钢片叠成。转子形如外齿轮,也由硅钢片制成。各段定子上的齿在圆周方向均匀分布,彼此之间错开1/5齿距,其转子齿彼此不错位。当设置在定子铁心环形槽内的定子绕组通电时,形成一相环形绕组,构成图中所示的磁力线。 除上面介绍的两种形式的反应式步进电机之外,常见的步进电机还有永磁式步进电机和永磁反应式步进电机,它们的结构虽不相同,但工作原理相同。 3.步进电机的工作原理 步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。图5--6是一种最简单的反应式步进电机,下面以它为例来说明步进电机的工作原理。

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