注册
步进电机结构和工作原理
发布于2019-09-01 22:23:20 2154人已阅读

一、步进电机结构和工作原理

       步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于控制脉冲信号的频率和脉冲数。脉冲数越多,电机转动的角度越大。脉冲的频率越高,电机转速越快,但不能超过最高频率,否则电机的力矩迅速减小,电机不转。

1.步进电机的种类

步进电机的种类非常多,分类方式比较多,具体如下表所示。

4-1-1  步进电机的种类

分类方式

     

按力矩产生的原理

1)反应式:转子无绕组,由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行

2)激磁式:定、转子均有激磁绕组(或转子用永久磁钢),由电磁力矩实现步进运行

按输出力矩大小

1)伺服式:输出力矩在百分之几之几至十分之几(N·m)只能驱动较小的负载,要与液压扭矩放大器配用,才能驱动机床工作台等较大的负载

2)功率式:输出力矩在550 N·m以上,可以直接驱动机床工作台等较大的负载

按定子数

1)单定子式

2)双定子式

3)三定子式

4)多定子式

按各相绕组分布

1)径向分布式:电机各相按圆周依次排列

2)轴向分布式:电机各相按轴向依次排列

 

2.步进电机的结构

目前,我国使用的步进电机多为反应式步进电机。在反应式步进电机中,有轴向分相和径向分相两种。

轴向分相:电机各相绕组按轴向依次排列。

经向分相:电机各相绕组按圆周依次排列。

3.步进电机的工作原理

步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。当某相定子励磁后,它吸引转子,转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐,转子转动一个角度,换一相得电时,转子又转动一个角度。如此每相不停地轮流通电,转子不停地转动。其工作过程如下图所示

4-1-1.png

4-1-1  步进电机转动原理

上述介绍的是三相单三拍的工作过程,除此以外还有三相双三拍,三相六拍等工作方式。三相双三拍的得电方式同时两相绕组通电:如ABBC CA AB →…。三相六拍的控制方式是:A AB B BC C CA A →…。电机的转速和相序切换的频率有关,切换得越快,电机转动的越快。电机转动得方向和相序有关。电机每拍转动的角度,称步距角θ。步距角和电机的结构有关,其表达式是 公式.png

其中m为定子绕组的相数。Z为转子得齿数。K为通电方式,m相时m拍时,k=1m2m拍时,k=2,如上例中,m=3z=4k=1,所以

二、步进驱动器原理、细分设置和PLC的连接。

1.步进驱动器的原理

从步进电机的转动原理可以得出,要使步进电机正常运行,必须安规律控制步进电机的每一相绕组得电。步进驱动器结构主要分2个部分,分别是环形分配器和功率放大器,环形分配器主要是接收外部控制器送来的脉冲信号和控制信号,按规律控制功率单元,从而使步进电机不同相的线圈得电切换,控制步进电机运转。步进驱动器接收外部的信号分别有方向信号(DIR)、脉冲信号(CP) 脱机信号(FREE)。正常工作时,脉冲信号(CP)控制每一相线圈得电的时间,脉冲信号频率越高,不同线圈的电切换越快,电机转速越快,反之转速就越慢。方向信号(DIR)控制不同相线圈得电的顺序,从而控制电机的转向。正常停止时,总有一相线圈得电,电机的转子被锁住,起到定位功能,如果需要松开转子,可以使用脱机信号(FREE),使电机线圈断电,转子就处于自由转动状态。具体步进驱动器原理如图4-1-2所示。

4-1-2.png

4-1-2  步进驱动器工作原理

2.步进驱动器细分的设置

什么叫细分?为了提高步进电动机控制的精度,现在的步进驱动器都有细分的功能,所谓细分,就是通过驱动器中的控制把步距角减小。比如把步进驱动器设置成5细分,假设原来步距角1.8°,转动一周需要200个脉冲,那么设成5细分后,步距角就是0.36°。转动一周就需要1000个脉冲,所以大大提升了控制的精度。有的步进驱动直接就设置转动每周所需的脉冲数,具体设置如图4-1-3所示。步进驱动器上有DIP设置开关(图4-1-4),分别用于设置电流和细分(表4-1-2),驱动器侧面有细分、电流设置表(表4-1-3),具体设置根据标准规定设置。

4-1-3.png

4-1-3:步进驱动细分和电流设置

 4-1-4.png


4-1-4DIP开关设置表

 

4-1-2  驱动器上DIP开关功能

开关序号

ON功能

OFF功能

特别说明

DIP1~DIP4

细分设置用

细分设置用


DIP5

静态电流半流

静态电流全流


DIP6~DIP8

输出电流设置用

输出电流设置用


 

4-1-3  驱动器细分设置表


DIP1ON

DIP1OFF

DIP2

DIP3

DIP4

细分

细分

ON

ON

ON

N/A

2

OFF

ON

ON

4

4

ON

OFF

ON

8

5

OFF

OFF

ON

16

10

ON

ON

OFF

32

25

OFF

ON

OFF

64

50

ON

OFF

OFF

128

100

OFF

OFF

OFF

256

200

 

但是细分数不能设置的过大,因为在保证相同转速的情况下,细分设置越大,则要求控制脉冲的频率越高,但是驱动步进电机的脉冲频率不能太高,否则电机输出的力矩迅速减小。步进驱动脉冲的频率和输出转矩的关系如图4-1-5所示。

4-1-5.png

4-1-5:步进驱动脉冲的频率和输出转矩的关系

3. 步进电机、步进驱动器和PLC间的连接

从步进电机及步进驱动原理可以看出,要使步进电机转动,需要上位机输出脉冲给驱动,输出脉冲的数量决定步进电机转动量,脉冲频率决定步进电机转动速度,一般情况下,我们是采用PLC或者相应的定位模块作为控制器,控制步进电机旋转,所以步进电机、步进驱动器和PLC间的连接如图4-1-6所示。其中X0X1X2作为控制步进电机的正转、反转、停止控制,Y0输出脉冲信号,Y1作为方向信号、Y2作为脱机信号(有的是使能信号)

4-1-6.png

4-1-6  步进电机、步进驱动器和PLC间的连接

4. 应用案例分析

利用PLC作为上位机,控制步进电动机按一定的角度旋转。控制要求:利用PLC控制步进电动机顺时针转2周,停5秒,逆时针转1周,停2秒,如此循环进行,按下停止按钮,电机马上停止(电机的轴锁住)。按下脱机按钮,电机的轴松开。

系统接线:

X0-启动,X1-停止,X2-脱机

Y0-脉冲输出, Y1-控制方向,Y2-脱机控制。

细分和电流的设置。假设步进电机的步距角是1.8°,要求设置4细分,电机的额定电流是2.2A。所以DIP开关的设置如图4-1-7

4-1-7.png

4-1-7 DIP开关设置

编程分析:

1)在没有设置细分时,步距角是1.8°,也即是200脉冲/转。设置成4细分后,则是800脉冲/转。

2)控制程序可以用步进指令编写,用PLSY指令产生脉冲,脉冲有Y0输出,Y1控制方向,控制流程图如图4-1-8:其中M0M1用于驱动PLSY指令。

4-1-8.png

4-1-8:控制流程图

 

      购买课程可以登录 www.xuexiplc.cn 网络查询,在网站右侧下载中心可以下载播放器,绑定网校 程子华。一次购买2个课程可以9折,购买4个可以8折优惠,购买终身VIP3800元,老学员购买VIP的算法是:(课程总价9270-你原来买的课程总价)*0.42。凡是购买VIP学员,可以终身免费看程老师所有课程。

微信号.png

 640 (2).jpg