步進電機原理

2014-12-8

步進電機基本原理
 
      電機將電能轉換成機械能,步進電機將電脈沖轉換成特定的旋轉運動。每個脈沖所產生的運動是精確的,并可重復,這就是為什么步進電機在定位應用中如此有效的原因。
      永磁步進電機包括一個永磁轉子、線圈繞組和導磁定子。給線圈繞組通電將產生一個電子磁場,分為北極和南極,見圖1所示。定子產生產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,兩相定子中的A相被通電,因異性相吸,其磁場將轉子固定在圖示位置。當A相關閉、B相被通電時,轉子順時針旋轉90°。在第3步中,B相關閉、A相被通電,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。

 
 
    圖2中顯示的步進順序稱為“單相通電”步進。更常用的步進方法是“雙相通電”,即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。

半步步進
        電機也可以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。
 

雙極性繞組
    二相通電步進順利利用了一種“雙極性線圈繞組”的方法,每極只有一個繞組,通過改變繞組中的電流方向,從而改變相應極上的電磁極性,典型的兩相雙極驅動的輸出步驟在電器原理圖和下面圖5中的步進順序中有進一步闡述。

單極性繞組
    另一常用繞組是單極性繞組,每個電極上饒有兩個繞組,當一個繞組通電時,產生被磁場,另一個繞組通電則產生南磁場,因為從驅動器到線圈的電流不會反向,所以可稱為單極性繞組。該方法下電機的步進順序見圖6所示。通過這種設計使得電子驅動器簡單化,但是與雙極性繞組相比,其力矩大約小30%,因為磁線圈僅被利用了一半。

 

其它步距角
        為了獲得更小的步距角,叫要求定子和轉子有更多的磁極,要求定子和轉子上有相同對數的磁極,一個步距角為7.5度的電機有12對磁極,每個磁極板上有12個齒,每個繞組有兩個磁極板,每個電機有兩個繞組,因此有一個步距角為7.5度的步進電機有48個磁極,圖7是一個剖面圖舉例說明一個7.5度的步進電機的4個磁極板,成倍的步進也可以提供較大的運動。例如,一個7.5度的步進電機6個步進量可以產生45度的運動。

 

 圖7.一個7.5度步進電機磁極板的局部剖面圖

 

精度
    永磁式步進電機精確度達6-7%每步,且不累積。一個7.5度的步進電機每步的誤差會少于0.5度,而且不管走了多少步,這個誤差是不會累積的。
 
共振
    由于電機是一個彈性體系統,所以步進電機有一個固有的諧振頻率,當步進速率等于電機的固有頻率時將發生共振,電機可能會產生聽的見的噪音變化,同時振動增加,共振點將隨應用場合和負載而變化,但共振點通常出現在70-200步/秒左右,在嚴重的情況下,電機在振蕩點附近可能會失步,改變步進速率是避免系統中與共振有關的許多問題的最簡單的方式。另外,半步或細分驅動通常可以減少共振問題,當加減速時,要盡可能快地越過共振區。

力矩
一個特定的旋轉步進電機所產生的力矩是下述參數的函數
? 步進速度
? 通過繞組的電流大小
? 所使用的驅動器的類型
(直線電機所產生的力也取決于這些因素)
 

 

直線步進電機
    步進電機的旋轉運動可以通過很多種機械方法轉化成直線運動,這包括齒輪,齒條機構,皮帶,皮帶輪及其他機械機構,這些選擇都需要外部機械零件,最有效的方法是將這些轉化在電機內部完成,直線步進電機最早在1968年出現,圖9是集中最典型的直線步進電機。


 
圖9,海頓永磁式直線步進電機
    在直線步進電機內部通過一個內螺紋螺母和導螺桿完成了旋轉運動向直線運動的轉化,轉子的內部被加工成內螺紋,導螺桿代替了軸,為了實現直線運動,導螺桿的旋轉運動必須被限制,轉子旋轉時,內螺紋驅動導螺桿做直線運動,改變轉子的旋轉方向可以改變直線運動方向,永磁式直線步進電機的基本結構如圖10所示。

 
圖10,直線步進電機內螺紋轉子和導螺桿界面剖視圖
    直線步進電機的步長決定于電機的步距角和相互配合的內螺紋螺母和導螺桿的螺距,大螺距螺紋比小螺距螺紋產生的步長大,然而,對于給定的步進速度小螺距螺紋可以提供更大推力。當電機失電時,大螺距螺紋容易被反向驅動或推動,但小螺距螺紋通常卻不容易被反向驅動或推動,為了保證高的工作效率,在轉子和導螺桿之間必須有一定的自由度,這就要求在兩者之間有一定的間隙,這大約有0.001英寸到0.003英寸軸向間隙(也叫反向間隙)。如果要求絕對的位置精度,可以選用本公司的帶有游隙補償設計的產品。我們的直線步進電機,在電機內部完成了旋轉運動向直線運動的轉化,這給許多應用帶來了方便,使得機械結構更加簡單,因為直線步進電機自身內部包括了相關部件,所以對于外部零件比如皮帶及帶輪的需要大大降低或免除,較少的零件使得設計更加容易,降低整個系統的成本和尺寸,并且提高了產品的可靠性。

 

疲勞/壽命
    正常情況下,HLM直線電機可完成多達2千萬次的運行周期,而HLM旋轉電機可提供長達25,000小時運行壽命。電機最終的疲勞和綜合壽命由每個用戶的具體應用情況決定。
連續工作制: 在額定電壓下連續運行電機。
25%工作制: 在L/R驅動上以雙倍的額定電壓運行電機,電機通電時間大約為25%。電機產生的輸出力矩比在額定電壓下運行大約要多60%。注意,工作周期與施加在電機上的負載無關。
壽命: 直線電機的壽命為電機能在指定的負載下運動,并維持步進精確度的循環次數。旋轉電機的壽命為工作小時數
一個運動周期: 直線電機的一個運行周期包括伸出以及縮回到初始位置的整個動作。
    對于如何選擇適當的電機并確保其擁有最長的壽命,這里有一些通用的準則,但最終,如要在給一個給定的系統中確定步進電機的性能,最好在“現場條件”下,或在盡可能類似的現場的條件下進行組裝測試。
    由于步進電機沒有電刷所產生的磨損,起壽命通常超過系統中的其他機械零件,步進電機若失效,一般來說是由于一些機械零件失效而引起的,螺桿/螺母接合處及軸承是首先會產生疲勞失效的零件,而工作力矩或推力以及工作環境也會影響這些零件的壽命。
    如果電機在起額定力矩或推力,或接近其額定力矩或推力下運行,則其壽命將受到影響,海頓的測試表明電機壽命隨工作負載的降低而呈指數增加,一般而言,電機應設計成在其最大承載能力的40%-60%下運行,一些環境因素,如高濕度,暴露于苛性化學制品中,大量的污垢以及熱量,都會影響電機的壽命,組裝中的一些機械因素,如直線電機中軸的側向負載或旋轉電機中的不平衡負載等,也將對電機壽命造成不利影響。
    如果在短時工作制下使用電機,并向電機施加較高的電壓,則通電時間應保證其溫升不超過電機的最大溫升限制,如果電機沒有足夠的斷電時間,將會產生太多的熱量,以至繞組過熱,最終導致電機失效。
    設計一個能將這些因素降低到最小的系統將確保電機的最大壽命,將壽命最大化的第一步是選擇一個安全系數為2或更大的電機,第二步是通過將側向負載,不平衡的負載和沖擊載荷降低到最小來保證系數具有良好的機械性能,另外,系統應配備散熱系統,如果系統中存在苛性化學品,則必須對電機和其他所有零件加以防護,最后,在“現場條件”下測試電機及其組件可確保應用適當。
    如果遵守了這些準則,海頓直線電機,將在廣泛的領域內為您提供可靠的操作,如果您在設計上需要幫助,海頓的應用工程師將幫助您在我們的電機上獲得最長壽命和最佳的性能。