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步进电机是怎样工作的?它有哪些特点?

本文是VIP课程《S7-200 SMART运动控制之步进电机》的第一节。

在本节中,我们将学习如下一些内容:

1)什么是步进电机;

2)与步进电机相关的一些基本概念;

3)步进电机的分类与结构;

4)步进电机的特点;

cover.png

1.1、什么是步进电机

步进电机是一种基于电磁感应原理、把电脉冲信号转换为角位移或线位移的开环控制电机,是工业控制系统中一种常见的执行机构(注:工业控制系统由控制器、控制元件、传感器及执行机构组成)。

步进电机的内部由转子和定子组成,下面这张图是一个两相步进电机的外观图:

2_phase_step_motor.png

1.2、步进电机相关的基本概念

1.2.1、相数:是指步进电机定子绕组的组数(即内部线圈的个数)。常见的有两相、三相、四相、五相步进电机;

1.2.2、步距角:步进电机接收一个脉冲信号后所转过的角度,步距角在电机出厂时已经确定,会写在电机上。一般两相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相电机的步距角为0.75°/1.5°,五相电机的步距角为0.36°/0.72°;如果不使用细分驱动器,只能靠选择不同步距角的步进电机来满足控制要求。细分驱动器可以改变步进电机的步距角,这个我们将在第二节《认识步进驱动器》中介绍;

1.2.3 、保持转矩(holding torque):是指步进电机绕组通电且转子没有转动时,使电机能够移动完整的一步所需要的扭矩。保持转矩主要受电机绕组所允许的最大电流限制,通常大于运行转矩(running torque)。保持转矩是步进电机最重要的参数之一,它的优点在于可以使负载保持在某个位置。在不特别指明的情况下,通常说的步进电机的转矩就是指保持转矩。比如,某步进电机的转矩为3.5NM,就是指其保持扭矩为3.5NM;

1.2.4、阻尼转矩(detent torque):是指步进电机绕组在不通电的情况下,由其本身的机械特性(永磁性结构)所产生的转矩。在不通电的情况下,用手去转动转子可以感受到阻尼转矩;

1.3、步进电机的分类与结构

步进电机的内部由转子(rotor)和定子(stator)组成。

当定子线圈通电时,会产生感应磁场,感应磁场与转子相互作用使转子转过一定的角度。

根据励磁方式的不同,步进电机可分为:永磁式、反应式(磁阻式)和混合式三种。

1.3.1、永磁式(permanent magnet stepper motor)

永磁式步进电机的转子(rotor)是一种永磁性的、柱状结构,具有N极和S极;定子是具有对称结构的励磁线圈;当定子线圈通入直流电后,根据安培右手定律,线圈的两端会产生磁场;定子产生的磁场与转子的永磁性材料相互作用从而使转子转动。通过给定子绕组交替通电,就能控制转子按照某个方向交替运动;

永磁式步进电机的定子/转子结构如下图所示:

PM stepper motor inside.png

1.3.2、反应式(variable reluctance stepper motor)

反应式步进电机也称为磁阻式步进电机,其转子是一个非磁性的、软铁性质的、齿状结构;其定子由励磁线圈组成;由于转子是非磁性结构,因此在定子没有通电之前,定子与转子之间没有任何磁性相互作用。因此,反应式步进电机没有阻尼转矩(detent torque)。

反应式步进电机内部结构示意图如下:

VR_stepper_motor.png

1.3.3、混合式(hybrid stepper motor)

顾名思义,混合式步进电机结合了永磁式和反应式步进电机的优点,它的转子采用永磁性材料,并且将其分成南极(S极)和北极(N极)两个部分,每个部分又有很多的齿状结构,如下图所示:

hybrid_motor_rotor.png

混合式步进电机的定子由励磁线圈组成,每一组线圈下面也具有交替分布的齿状结构。如下图所示:

hybrid_motor_stator.jpg

混合式步进电机的步距角小、动态性能好,是使用最广泛的步进电机。下面这张图是混合式步进电机的转子和定子实物图:

1.4、步进电机的特点

步进电机结构简单、使用方便、没有积累误差、只需要脉冲信号就能进行工作,因此既可以使用PLC进行控制,也可以使用单片机等能产生脉冲信号的装置进行控制,在工业自动化控制中使用非常广泛。

不过其噪音和震动较大,并且可能会出现失步的情况,因此只适合于精度要求不高的场合。

另外步进电机的位置和速度信号不能反馈给控制系统,一般只能用于开环控制。如果要构成闭环控制系统,需要在运动轴上增加编码器等信号反馈装置。

好了,关于VIP课程《S7-200 SMART运动控制之步进电机》的第一节就先介绍这么多,如果你对该课程感兴趣,可以点击下面的连接查看课程内容。

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