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            新聞活動

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            步進電機工作原理及其控制

            時間:2017-04-13 09:03:10

            摘要:

            電機將電能轉換成機械能,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件。在非超載的情況下,電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數,而不受負載變化的影響,即給電機加一個脈沖信號,電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在,加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。
                                    步進電機工作原理及其控制
                永磁步進電機包括一個永磁轉子、線圈繞組和導磁定子。激勵一個線圈繞組將產生一個電磁場,分為北極和南極,見圖1所示。定子產生的磁場使轉子轉動到與定子磁場對直。通過改變定子線圈的通電順序可使電機轉子產生連續的旋轉運動。
              圖2顯示了一個兩相電機的典型的步進順序。在第1步中,兩相定子的A相通電,因異性相吸,其磁場將轉子固定在圖示位置。當A相關閉、B相通電時,轉子順時針旋轉90°。在第3步中,B相關閉、A相通電,但極性與第1步相反,這促使轉子再次旋轉90°。在第4步中,A相關閉、B相通電,極性與第2步相反。重復該順序促使轉子按90°的步距角順時針旋轉。
                            步進電機工作原理及其控制
                 
                圖2中顯示的步進順序稱為“單相激勵”步進。更常用的步進方法是“雙相激勵”,其中電機的兩相一直通電。但是,一次只能轉換一相的極性,見圖3所示。兩相步進時,轉子與定子兩相之間的軸線處對直。由于兩相一直通電,本方法比“單相通電”步進多提供了41.1%的力矩,但輸入功率卻為2倍。
                       步進電機工作原理及其控制

            半步步進
              電機也可在轉換相位之間插入一個關閉狀態而走“半步”。這將步進電機的整個步距角一分為二。例如,一個90°的步進電機將每半步移動45°,見圖4。但是,與“兩相通電”相比,半步進通常導致15%~30%的力矩損失(取決于步進速率)。在每交換半步的過程中,由于其中一個繞組沒有通電,所以作用在轉子上的電磁力要小,造成了力矩的凈損失。
                   步進電機工作原理及其控制
            雙極性繞組
              雙相激勵介紹了利用一種“雙極性線圈繞組”的方法。每相用一個繞組,通過將繞組中電流反向,電磁極性被反向。典型的兩相雙極驅動的輸出步驟在電氣原理圖和圖5中的步進順序中進一步闡述。按圖所示,轉換只利用繞組簡單地改變電流的方向,就能改變該組的極性。
                      步進電機工作原理及其控制
            單極性繞組
              另一常用繞組是單極性繞組。其一個電極上有兩個繞組,這種聯接方式為當一個繞組通電時,產生一個北極磁場;另一個繞組通電,則產生一個南極磁場。因為從驅動器到線圈的電流不會反向,所以可稱其為單極繞組。該步進順序見圖6所示。該設計使得電子驅動器簡單化。但是,與雙極性繞組相比,其力矩大約少30%,因為勵磁線圈僅被利用了一半。
                       步進電機工作原理及其控制

                四相步進電機按照通電順序的不同,可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等,但單四拍的轉動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控制精度。
                單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2.a、b、c所示:
             
                    步進電機工作原理及其控制
            用達林頓管驅動四相步進電機舉例:(兩相步進電機多采用H橋驅動,如L298N和L293D芯片)
                  步進電機工作原理及其控制

            步進電機類型及其辨別:
                對于業余愛好者來說,最容易得到的步進電機是單極性(又稱雙線或4相)和雙極性(又稱單線或兩相)步進電機。
            一、單極性步進電機
                這種步進電機之所以稱為單極性是因為每個繞組中電流僅沿一個方向流動。它也被稱為兩線步進電機,因為它只含有兩個線圈。兩個線圈的極性相反,卷繞在同一鐵芯上,具有同一個中間抽頭。單極性步進電機還被稱為4相步進電機,因為它有4個激勵繞組。單極性步進電機的引線有5或6根。
            如果步進電機的引線是5根,那么其中一根是公共線(連接到V+),其他4根分別連到電機的4相。如果步進電機的引線是6根,那么它是多段式單極性步進電機有兩個繞組,每個繞組分別有一個中間抽頭引線。但是如何分辨這些引線呢?請繼續讀下述內容。
            1.分辨5線單極性步進電機接頭
            為了找出正確的引線順序并使電機轉動,需要一塊電池和一段膠帶(當然也需要一個5引線步進電機)。備好記號筆來標注引線以便分辨它們。按以下步驟操作:
            ①用數字萬用表找到公共線。其他引線與  公共線之間的電阻測量值都相同。將此線連接到電池的V+。5V或6V就足夠測試用了。
            ②膠帶粘貼到步進電機的輸出鈾上,并使它垂直于軸端伸出成為一個標志。此標志的作用在于判斷電機是否轉動。
            ③任意挑出一條引線稱之為相1。若將此線接地,則電機輸出軸將做輕微的轉動?,F在步進電機被鎖定在相1的位置上。
            ④取另一根引線并將其接地,仔細觀察輸出軸上的膠帶。如果輸出軸向右輕微地旋轉,那么此根引線是相2。如果輸出軸向左輕微地旋轉,那么此根引線是相4。如果輸出軸不旋轉,那么此根引線就是相3。
            2.分辨6線單極性步進電機接頭
                回收打印機舊電機時最常遇到這種類型的單極性步進電機。6線單極性步進電機通??雌饋硐袷莾蓚€單段式電機疊放在一起,每個單段有3根線引出。這種步進電機的引線非常容易分辨。
            分辨6線步進電機引線順序的工作相當簡單。如果它的結構形式是多段式步進電機,那么引線的順序實際上已經給出了,用數字萬用表可以找出每對繞組的公共線。只要保持繞組對的兩根引線對應一致,它們的順序并無關緊要,僅會影響電機的旋轉方向而已。
            如果不是多段式的6線步進電機,可以按以下步驟確定繞組對的引線:
            ①使用數字萬用表找出每對繞組的公共端。
            ②照上述方法能找出兩個繞組對,分隔它們并加以標記。請將其中一個繞組對標記為A和C(也可以是1和3),另一個標記為B和D(也可以是2和4)。在每一對繞組中,哪條引線是何順序并不重要,只要成對就足夠了。
            二、雙極性步進電機
                雙極性步進電機之所以如此命名,是因為每個繞組都可以兩個方向通電。因此每個繞組都既可以是N極又可以是S極。它又被稱為單繞組步進電機,因為每極只有單一的繞組,它還被稱為兩相步進電機,因為具有兩個分離的線圈。
                雙極性步進電機有四根引線,每個繞組兩條。與同樣尺寸和重量的單極性步進電極相比,雙極性步進電機具有更大的驅動能力,原因在于其磁極(不是中間抽頭的單一線圈)中的場強是單極性步進電機的兩倍。雙極性步進電機的每個繞組需要一個可逆電源,通常由H橋驅動電路提供。由于雙極性步進電機比單極性步進電機的輸出力矩大,因此總是應用于空間有限的設計中。這也是軟盤驅動器的磁頭步進機械系統的驅動之所以總是采用雙極性步進電機的原因。
                可以相當簡單地使用數字萬用表來查找兩個繞組。如果在某兩根引線之間能夠測量到阻值,那么這兩根引線之間就屬于一個繞組,其他兩根線之間是另外一個繞組。雙極性步進電機的步距通常是1.8°,也就是每周200步。
             

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