步进电机的构造与工作原理：这些步进电机理论知识你还记得吗
步进电机的构造与工作原理：这些步进电机理论知识你还记得吗步进电机由于受到自身制造工艺的限制 如步距角的大小由转子齿数和运行拍数决定 但转子齿数和运行拍数是有限的 因此步进电机的步距角一般较大并且是固定的 步进的分辨率低、缺乏灵活性、在低频运行时振动 噪音比其他微电机都高 使物理装置容易疲劳或损坏。这些缺点使步进电机只能应用在一些要求较低的场合 对要求较高的场合 只能采取闭环控制 增加了系统的复杂性 这些缺点严重限制了步进电机作为优良的开环控制组件的有效利用。细分驱动技术在一定程度上有效地克服了这些缺点。 国内外的科技工作者对步进电机的速度控制技术进行了大量的研究 建立了多种加减速控制数学模型 如指数模型、线性模型等 并在此基础上设计开发了多种控制电路 改善了步进电机的运动特性 推广了步进电机的应用范围指数加减速考虑了步进电机固有的矩频特性 既能保证步进电机在运动中不失步 又充分发挥了电机的固有特性 缩短了升降速时间 但因电机负载的变化 很难实
步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能
人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。随着嵌入式系统(例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等)的日益流行，步进电机的使用也开始暴增。不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业中，只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置，步进电机就一定能派上用场。步进电机有许多种形状和尺寸，但不论形状和尺寸如何，它们都可以归为两类：可变磁阻步进电机和永磁步进电机。
步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。
正因为步进电机的广泛应用 对步进电机的控制的研究也越来越多 在启动或加速时如果步进脉冲变化太快 转子由于惯性而跟随不上电信号的变化 产生堵转或失步在停止或减速时由于同样原因则可能产生超步。为防止堵转、失步和超步 提高工作频率 要对步进电机进行升降速控制。
步进电机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。其角速度与脉冲频率成正比 而且在时间上与脉冲同步。因而在转子齿数和运行拍数一定的情况下 只要控制脉冲频率即可获得所需速度。由于步进电机是借助它的同步力矩而启动的 为了不发生失步 启动频率是不高的。特别是随着功率的增加 转子直径增大 惯量增大 启动频率和最高运行频率可能相差十倍之多。
步进电机的起动频率特性使步进电机启动时不能直接达到运行频率 而要有一个启动过程 即从一个低的转速逐渐升速到运行转速。停止时运行频率不能立即降为零 而要有一个高速逐渐降速到零的过程。
步进电机的输出力矩随着脉冲频率的上升而下降 启动频率越高 启动力矩就越小 带动负载的能力越差 启动时会造成失步 而在停止时又会发生过冲。要使步进电机快速的达到所要求的速度又不失步或过冲 其关键在于使加速过程中 加速度所要求的力矩既能充分利用各个运行频率下步进电机所提供的力矩 又不能超过这个力矩。因此 步进电机的运行一般要经过加速、匀速、减速三个阶段 要求加减速过程时间尽量的短 恒速时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中 从起点到终点运行的时间要求最短 这就必须要求加速、减速的过程最短 而恒速时的速度最高。
国内外的科技工作者对步进电机的速度控制技术进行了大量的研究 建立了多种加减速控制数学模型 如指数模型、线性模型等 并在此基础上设计开发了多种控制电路 改善了步进电机的运动特性 推广了步进电机的应用范围指数加减速考虑了步进电机固有的矩频特性 既能保证步进电机在运动中不失步 又充分发挥了电机的固有特性 缩短了升降速时间 但因电机负载的变化 很难实现而线性加减速仅考虑电机在负载能力范围的角速度与脉冲成正比这一关系 不因电源电压、负载环境的波动而变化的特性 这种升速方法的加速度是恒定的 其缺点是未充分考虑步进电机输出力矩随速度变化的特性 步进电机在高速时会发生失步。
步进电机的细分驱动控制步进电机由于受到自身制造工艺的限制 如步距角的大小由转子齿数和运行拍数决定 但转子齿数和运行拍数是有限的 因此步进电机的步距角一般较大并且是固定的 步进的分辨率低、缺乏灵活性、在低频运行时振动 噪音比其他微电机都高 使物理装置容易疲劳或损坏。这些缺点使步进电机只能应用在一些要求较低的场合 对要求较高的场合 只能采取闭环控制 增加了系统的复杂性 这些缺点严重限制了步进电机作为优良的开环控制组件的有效利用。细分驱动技术在一定程度上有效地克服了这些缺点。
步进电机细分驱动技术是年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动技术。年美国学者、首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出步进电机步距角细分的控制方法。在其后的二十多年里 步进电机细分驱动得到了很大的发展。逐步发展到上世纪九十年代完全成熟的。我国对细分驱动技术的研究 起步时间与国外相差无几。
在九十年代中期的到了较大的发展。主要应用在工业、航天、机器人、精密测量等领域 如跟踪卫星用光电经纬仪、军用仪器、通讯和雷达等设备 细分驱动技术的广泛应用 使得电机的相数不受步距角的限制 为产品设计带来了方便。目前在步进电机的细分驱动技术上 采用斩波恒流驱动 仪脉冲宽度调制驱动、电流矢量恒幅均匀旋转驱动控制止 几大大提高步进电机运行运转精度 使步进电机在中、小功率应用领域向高速且精密化的方向发展。
最初 对步进电机相电流的控制是由硬件来实现的 通常采用两种方法，采用多路功率开关电流供电 在绕组上进行电流叠加 这种方法使功率管损耗少 但由于路数多 所以器件多 体积大。
先对脉冲信号叠加 再经功率管线性放大 获得阶梯形电流 优点是所用器件少 但功率管功耗大 系统功率低 如果管子工作在非线性区会引起失真、由于本身不可克服的缺点 因此目前已很少采用这两类方法。
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