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《无线电》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

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解读步进电机——《无线电》第09期

2012-09-25 11:38:25

 

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机,在各种需要精确控制的领域都被广泛使用。根据资料来看,步进电机的原型早在1870年左右就出现了。在20世纪60年代永磁体制造技术进步后,步进电机得到了快速发展,现在已成为一种经典的电机类型了。

 

许多初学电子的年轻朋友对步进电机还是有些陌生的。它无法像上期我们介绍的直流电机那样,只要接通电源后就能正常工作。它是一种感应电机,需要驱动电路将直流电变成分时供电的多相时序控制电流,按一定时序向步进电机各个绕组供电,才能工作。简单来说,使用步进电机的最小系统必须有脉冲信号发生器、功率驱动电路,才可以使其正常工作。因此,要用好步进电机必须有机械、电子、计算机等知识。

 

步进电机之所以在在各种需要精确控制的领域广泛使用,原因如下:在非超载的情况下,步进电机的转速、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,在步进驱动电路的控制下,每一个脉冲信号只会让电机按步距角转动一个固定的角度,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的,只需要控制控制脉冲个数,就可以控制其电机轴的角位移量,同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到精确定位和调速的目的。那么,步进电机是如何做到这些的呢?请向下读。

 

步进电机工作特点

 

步进电机可以分成反应式(可变磁阻式VR)、永磁式(PM)以及混合式(HB)三种。现在最常见的是混合式步进电机,它是汇集了可变磁阻步进电机和永磁体步进电机两种步进电机的优点。这三种种类的步进电机结构原理图分别如图1~3所示。

 

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1  反应式步进电机结构 

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 2  永磁式步进电机结构

 

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3 混合式步进电机结构

 

3种种类的步进电机虽然结构上有很大区别,但其基本的工作原理差不多。下面以步距角为90°的步进电机简单模型来讲解工作原理。图4就是90°步距角的步进电机结构模型,中心的转子是由永磁体组成,转子至少由一块永磁体组成,通常都不止一块,而围绕转子的是定子,是由绕组群组成。这个结构和普通有电刷的直流电机不一样,直流电机转子是绕组,定子则是永磁体,当直流电机给绕组(转子)通电时,通过转向器作用,转子会使电机轴不停转动,而步进电机给一组绕组通电时,这一绕组产生磁场,转子受磁场作用会转到这个绕组的位置上,并保持在这个位置上。

使用过步进电机的朋友都知道,当步进电机驱动器通电后,步进电机会锁定,如果你这时想用手去转动电机轴是很费力的,尺寸大点的步进电机更是没法转动,这就是受到上述所说的作用力,这个作用力矩称之为保持转矩。步进电机的步距、保持等特性使得它在多个领域中有广泛的应用。图5所示的自动注射器中的传动机构、雕刻机的传动机构、打印机的传动机构等都使用了步进电机。

 

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4  简单的步进电机模型                      

 

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 5  使用步进电机的设备

 

 

“步进”是如何实现的

 

步进电机英文称为stepping motor,从字面也可以理解到,这种电机是以“步”来运转的,而不像普通直通电机那样连续顺畅的旋转,要使步进电机连续旋转必须按“步”走,一步一步前进。那么怎么能让步进电机转子“步进”起来呢?

 

看过上一期介绍直流电机文章的读者应该知道洛伦兹力,就不难回答这个问题了。对的,如图4所示,只要把绕组2断电而绕组1通电,就可以把转子“步进”到绕组1的位置上。下面我们用图来说明图490°步距角的步进电机模型顺时针旋转一周的工作过程。

 

首先,给绕组1正相加电,让转子保持在图6所示的位置上,然后绕组1断电,绕组2正相加电,这时转子会转到图7所示位置上,这时转子转了一个步距角正好转了90°。第三步,转子要图8所示的位置上,这时绕组1必须施加反相电流才能产生图8中的磁场,使转子从第二步位置转到第三步位置上,同样第四步中的绕组2也必须施加反相电流。顺序重复这些步骤时,电机转子就可以连续做顺时针圆周旋转,而每一步则正好转了90°。那么要逆时针旋转又该如何做呢?很简单,只要把步骤反过来执行可以了,如在执行第三步后,再执行第二步那么转子会逆时针转90°回到图7所示的位置上。由此可以看出,使用步进电机必须也要有换相器,只是它不像普通直流电机那样使用简单的电刷机器式换相器,而是需要能使多个绕组进行分时供电和换相的驱动电路来实现这一功能。驱动控制电路所输出的时序及频率则是控制步进电机速度和位置的关键。

 

 

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6 步进电机顺时针旋转第一步示意图 

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7   步进电机顺时针旋转第二步示意图

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8   步进电机顺时针旋转第三步示意图 

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9  步进电机顺时针旋转4步示意图

 

从以上的过程描述我们可以看出,步进电机的每一步都会精确地走一个步距角,而不需要额外的反馈系统,也就是使用开环系统就能实现精确的定位,而普通直流电机不加反馈系统的情况下是不可能实现的。使用步进电机可以在廉价的基础上得到理想的精度,这也是图5中那些精密设备要使用步进电机的原因之一。

初学者可能会问,每步90°怎么能算精确呢?当然,那只是我们用来分析的简单模型,实际上现在常用的混合式步进电机的步距角都很小,而常见混合式的步进电机又有单极性、两相以及五相之分,单极性步进电机的步距角一般为3.6°或7.2°,两相步进电机步距角为3.6°或1.8°,五相步进电机则为0.72°或0.36°。有一些高性能的步进电机的最小步距角可以到0.036°,但那是极为少见和昂贵的。

10就是一个五相混合式步进电机的内部结构照片。我们可以清楚看到十组绕组组成的定子及由圆柱齿轮状永磁体组成的转子。图11是这个五相步进电机的外观图,而图12则是两相步进电机的外观,同是混合式其内部结构基本一样,只是绕组的接线形式不一样。所以在使用步进电机之前,我们必须先了解步进电机的绕组的线路结构。图13是单极性步进电机(又称4相步进电机)的线圈线路,图上的引线是5线。还有一种是6级单极性步进电机,不同之外是公共端分为2线引出,每2个线圈1个公共端。这样的电机通常在打印机、仪表等设备中可以找到,体积都比较小。图14是双极性步进电机(又称2相步进电机)的线圈线路,其体积和驱动能力都会比单极性的要大许多。图15则是五相步进电机的线圈线路结构图。另外,还有三相步进电机由三组绕组组成定子,这里不做具体说明了。另一种比较不常见的步进电机就是通用步进电机,它的每一组绕组的引线分别引出,一般为8线,这种电机可能根据使用者的需要配置为单极性或双极性等形式使用。

 

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10 五相步进电机内部结构

 

(未完......)

 

(原文见《无线电》第9期)

 

 











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