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步进电机在数字化制造时代发挥着巨大作用


步进电机是舵机的兄弟,是一款沒有累积偏差、不应用意见反馈回路的操纵用特种电机。
了解了舵机以后,第二步便是了解下他的兄弟。舵机最亲的兄弟有两个:交流伺服电机和步进电机,今日来掌握步进电机的风彩。步进电机的历史时间很老,实际上是与电磁铁和齿轮泵同一阶段开发设计的,美国人佛罗蔓明确提出了将电磁铁的吸引力转换为转动扭矩的方式。那时候,励磁电流相的转换用机械设备凸轮轴的点接触来进行,变成了步进电机的原形。步进电机
步进电机也可称为单脉冲电机
将电脉冲转化为角位移
步进电机也可称为单脉冲电机,是一种将电脉冲转化为角位移的电动执行器,做为一种“转化动能”的机器设备,它把电脉冲转化为角位移。换句话说,根据步进电机,能够操纵完成运动。
因为步进电机沒有累积偏差(精密度为100%)的特性,并且不应用意见反馈控制回路,就能开展速率操纵及精准定位操纵,因此 步进电机经常做为一种操纵用的特殊电机,广泛运用于各种各样开环控制。
从实际的实际操作基本原理或许更能了解这一界定:当步进电机控制器接受到一个差分信号,它就驱动器步进电机按设置的方位旋转一个固定不动的视角(称为“横距角”),它的转动是以固定不动的视角一步一步运作的。

步进电机工作原理图

步进电机工作原理图


简单的原理:

脉冲信号—→步进电机驱动器—→步进电机—→步距角

(接收信号) (驱动)

步进电机的“高级”之处,在于其具体的数据和转动角度可以通过操控。不仅可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;也可以同时通过控制脉冲频率来控制步进电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。

  • 不使用反馈回路,没有积累误差

之前提到过,因为步进电机没有积累误差的特点,所以被广泛应用。其实,步进电机的特点不止这一点:

  1. 1.一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。

  2. 2.步进电机外表允许的最高温度。因为步进电机温度过高首先会使步进电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此,步进电机外表允许的最高温度应取决于不同步进电机磁性材料的退磁点。当然,一般情况下,磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上,有的甚至高达摄氏200度以上,所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

  3. 3.步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时,步进电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。

  4. 4.步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数:空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频率应更低。如果要使步进电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(步进电机转速从低速升到高速)。

    步进电机转速从低速升到高速

 

步进电机在数字化制造时代发挥着重大作用

  • 应用在生产实践的各个领域

步进电机这种特性,让其在智能化生产制造时期充分发挥着重特大的主要用途。一九七七年上下,步进电机刚开始规模性运用,那时候,两相步进电机被运用于FDD(floppydiskdrive软盘驱动器)輸出轴的驱动器上。
 
如今,步进电机在各行各业的运用都十分的普遍,广泛运用在生活实践的各行各业,包含医疗机械、计量仪器、轿车、街机游戏机等。
 
步进电机较大的运用是在数控机床的生产制造中,由于步进电机不用a/d变换,可以立即将数据差分信号转换变成角速度,因此 被觉得是理想化的数控机床的实行元器件。初期的步进电机輸出转距较为小,没法满足要求,在应用中合液压机扭距放大仪一同构成液压机单脉冲马达。
 
伴随着步进电动机技术性的发展趋势,步进电机早已可以独立在系统软件上开展应用,变成了不可替代的实行元器件。例如步进电动机作为cnc铣床走刀伺服机构的驱动器电机,在这个运用中,步进电动机能够另外进行2个工作中,其一是传送转距,其二是信息传递。
 
步进电机也可以做为数控机床涡杆沙轮片磨边机同歩系统软件的驱动器电机。除开在数控机床上的运用,步进电机也可以并且用在别的的机械设备上,例如做为自动上料机中的马达,做为通用性的软盘驱动器的马达,也可以运用在复印机和绘图仪中。


永磁式步进电机工作原理

永磁式步进电机工作原理


市场上常用步进电机

现在,市场上现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。

其中,反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。

永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度 或15度。

混合式步进电机是指混合了永磁式步进电机和反应式步进电机的优点。它又分为两相步进电机和五相步进电机:两相步进电机步进角一般为1.8度而五相步进电机步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛,也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。

虽然全球制造业市场低迷,但是步进马达的应用,却由于行业的规模的增加处于不断增长的态势。目前步进电机市场基本还是日本占据主要位置,如日本的美蓓亚、三洋、松下电机都较为知名。

国内,生产步进电机的厂家的确不少,雷塞电机、宝龙电机、运控电机是国内比较知名的步进电机生产企业,但具有专业技术人员、能够自行开发和研制的厂家还是比较少。

不过好消息就是,现在,原有的国内步进马达生产厂家占全球生产数量1/3的局面有所改变,江浙沪一带的生产厂家数量呈现再度快速上升的局面。同时在珠三角地区,生产厂家的数量也一改前期长期停滞不前的局面,出现了快速的增长。接下来,也将在技术方面继续突进。

步进电机分类


看参数选购步进电机

虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能像普通的直流电机,交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

那么,如何选购步进电机?懂的人会从这几个参数入手。

  1. 步进电机固有步距角:它表示控制系统每发一个步进脉冲信号,步进电机所转动的角度。步进电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°(表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°),这个步距角可以称之为‘步进电机固有步距角’,它不一定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和步进电机驱动器有关。
  2. 步进电机的相数:是指步进电机内部的线圈组数,目前常用的有二相步进电机、三相步进电机、四相步进电机、五相步进电机。步进电机相数不同,其步距角也不同,一般二相步进电机的步距角为0.9°/1.8°、三相步进电机的为0.75°/1.5°、五相步进电机的为0.36°/0.72°。在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用步进电机细分驱动器,则‘相数’将变得没有意义,用户只需在步进电机驱动器上改变细分数,就可以改变步距角。
  3. 保持转矩:是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如,当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
  4. 启动转矩:是指步进电机没有通电的情况下,定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式,容易使大家产生误解;由于反应式步进电机的转子不是永磁材料,所以它没有DETENT TORQUE。

 

步进电机接线图


步进电机接线图

简单来说,步进电机有步距角(涉及到相数)、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定,步进电机的型号便确定下来了。所以,如何选择最适合自己使用要求的步进电机和步进电机驱动器,具体的流程如下:

第一步:确定步进电机拖动负载所需要的扭矩;

第二步:确定步进电机的最高运行转速;

第三步:参考矩—频特性;

第四步:考虑留有一定的步进电机力矩余量和步进电机转速余量;

需要特别提醒的是,选取时且勿走入只看步进电机力矩这一个指标的误区,也就是说并非步进电机的扭矩越大越好,要和步进电机速度指标一起考虑。

一般情况下,由于混合式步进电机的性能高于反应式步进电机,所以较受欢迎。同时,细分步进电机驱动器能使步进电机驱动器工作在细分状态,所以细分步进电机驱动器一般是首选。
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