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1、系统常识:步进电机和步进电机驱动器构成步进电机驱动系统。步进电机驱动系统的性能,不但取决于步进电机自身的性能,也取决于步进电机驱动器的优劣。对步进电机驱动器的研究几乎是与步进电机的研究同步进行的。
2、系统概述:步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号(来自控制器),它就驱动步进电动按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
3、系统控制:步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作,必须使用专用的驱动电源(步进电机驱动器)。控制器(脉冲信号发生器)可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;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,从而达到调速的目的。
4、用途: 步进电机是一种控制用的特种电机,作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一,随着微电子和计算机技术的发展(步进电机驱动器性能提高),步进电机的需求量与日俱增。步进电动机在运行中精度没有积累误差的特点,使其广泛应用于各种自动化控制系统,特别是开环控制系统。
5、步进电机按结构分类:步进电机也叫脉冲电机,包括反应式步进电动机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电动机(HB)等。
(1)反应式步进电机:也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电机。其定子和转子均由软磁材料制成,定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组,定、转子周边均匀分布小齿和槽,通电后利用磁导的变化产生转矩。一般为三、四、五、六相;可实现大转矩输出(消耗功率较大,电流**高可达20A,驱动电压较高);步距角小(**小可做到10');断电时无定位转矩;电机内阻尼较小,单步运行(指脉冲频率很低时)震荡时间较长;启动和运行频率较高。
(2)永磁式步进电机:通常电机转子由永磁材料制成,软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组,定、转子周边没有小齿和槽,通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。一般为两相或四相;输出转矩小(消耗功率较小,电流一般小于2A,驱动电压12V);步距角大(例如7.5度、15度、22.5度等);断电时具有一定的保持转矩;启动和运行频率较低。
(3)混合式步进电机:也叫永磁反应式、永磁感应式步进电机,混合了永磁式和反应式的优点。其定子和四相反应式步进机没有区别(但同一相的两个磁极相对,且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同),转子结构较为复杂(转子内部为圆柱形永磁铁,两端外套软磁材料,周边有小齿和槽)。一般为两相或四相;须供给正负脉冲信号;输出转矩较永磁式大(消耗功率相对较小);步距角较永磁式小(一般为1.8度);断电时无定位转矩;启动和运行频率较高;是目前发展较快的一种步进电机。
6、步进电机按工作方式分类:可分为功率式和伺服式两种。
(1)功率式:输出转矩较大,能直接带动较大负载(一般使用反应式、混合式步进电机)。
(2)伺服式:输出转矩较小,只能带动较小负载(一般使用永磁式、混合式步进电动机)。
7、步进电机的选择:
(1) 首先选择类型,其次是具体的品种与型号。
(2) 反应式、永磁式和混合式三种步进电动机的性能指标、外形尺寸、安装方法、脉冲电源种类和控制电路等都不同,价格差异也很大,选择时应综合考虑。
(3) 具有控制集成电路的步进电机应优先考虑。
★步进电机,是一种能够接受数字信号的机械动力装置,有着非常**的步距角,体积小巧,输出力矩较大。有好几十种规格可以选择。
★步进电机的保持转矩,近似于传统电机所称的“功率”。当然,有着本质的区别。步进电机的物理结构,完全不同于交流、直流电机,步进电机的输出功率是可变的。通常根据需要的转矩大小(即所要带动物体的扭力大小),来选择哪种型号的步进电机。大致说来,扭力在0.8N.m以下,选择28、35、39、42(电机的机身直径或方度,单位:mm);扭力在1N.m左右的,选择57电机较为合适。扭力在几个N.m或更大的情况下,就要选择75、85、86、90、110、130等规格的步进电机。对于步进电机的转速也要特别考虑。因为,步进电机的输出转矩,与转速成反比。就是说,步进电机在低速(每分钟几百转或更低转速,其输出转矩较大),在高速旋转状态的转矩(1000转/分–9000转)就很小了。当然,有些工况环境需要高速步进电机,就要对步进电机的线圈电阻、电感等指标进行衡量。选择电感稍小一些的步进电机,作为高速步进电机,能够获得较大输出转矩。反之,要求低速大力矩的情况下,就要选择电感在十几或几十mH,电阻也要大一些为好。
★步进电机空载起动频率,通常称为“空起频率”。这是选购步进电机比较重要的一项指标。如果要求在瞬间频繁启动、停止,并且,转速在1000转/分钟左右(或更高),通常需要“加速启动”。如果需要直接启动达到高速运转,**选择反应式或永磁步进电机。这些步进电机的“空起频率”都比较高。
★步进电机的相数选择,这项内容,很多客户几乎没有什么重视,大多是随便购买。其实,不同相数的步进电机,工作效果是不同的。相数越多,步距角就能够做的比较小,工作时的振动就相对小一些。大多数场合,使用两相步进电机(四相步进电机)比较多。在高速大力矩的工作环境,选择三相步进电机是很实用的。
★特种步进电机能够防水、防油,用于某些特殊场合。例如水下机器人,就需要放水步进电机。75BYG系列步进电机大多是防水结构。对于特种用途的步进电机,就要针对性选择了。
★特殊规格的步进电机,通常需要和生产厂家沟通,在技术允许的范围内,加工订货。例如,出轴的直径、长短、伸出方向等