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拆開(kāi)步進(jìn)電機(jī)來(lái)仔細(xì)講一講

 zsok 2016-08-23
據(jù)說(shuō)步進(jìn)電機(jī)不能拆,但是為了滿足好奇心,該出手時(shí)就出手。
 

將要拆開(kāi)的28BYJ-48,這是學(xué)單片機(jī)控制技術(shù)中最常見(jiàn)的一種。



打開(kāi)上蓋后的減速齒輪



減速齒輪特寫




轉(zhuǎn)子



定子繞組




繞組特寫




只剩下后蓋了




繞組上的接線:



這一看,步進(jìn)電機(jī)好像沒(méi)什么。實(shí)際上,里面的學(xué)問(wèn)大著呢。


步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講:當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(即步進(jìn)角)。您可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)您可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái) 控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。

雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用,但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī),交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事,它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。
   

步進(jìn)電機(jī)主要由兩部分構(gòu)成:定子和轉(zhuǎn)子,它們均由磁性材料組成。以三相步進(jìn)電機(jī)為例,其定子和轉(zhuǎn)子上分別有六個(gè)、四個(gè)磁極。


 

定子上的六個(gè)磁極上有控制繞組,兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一相。


 
注意:這里的相和三相交流電中的“相”概念不一樣,步進(jìn)電機(jī)通的是直流脈沖。

按照繞組的通電順序,三相步進(jìn)電機(jī)的工作方式可分為:三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。

步進(jìn)電機(jī)的主要特點(diǎn)
1.一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%,且不累積。
   
2.步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。
  
步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁,從而導(dǎo)致力矩下降乃至 于失步,因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn);一般來(lái)講,磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上,有的甚至高達(dá)攝氏200度以 上,所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
    
3.步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì);頻率越高,反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下,電機(jī)隨頻率(或速度)的增大而相電流減小,從而導(dǎo)致力矩下降。
   
4.步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。
  
步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù):空載啟動(dòng)頻率,即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠 正常啟動(dòng)的脈沖頻率,如果脈沖頻率高于該值,電機(jī)不能正常啟動(dòng),可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下,啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng),脈沖 頻率應(yīng)該有加速過(guò)程,即啟動(dòng)頻率較低,然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?br>   
5 步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn), 驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須為脈沖信號(hào),沒(méi)有脈沖的時(shí)候, 步進(jìn)電機(jī)靜止, 如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào),就會(huì)以一定的角度(稱為步角)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。
   
6 三相步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度為7.5 度,一圈360度,需要48個(gè)脈沖完成。
   
7 步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。
   

8 改變脈沖的順序,可以方便的改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。因此,目前打印機(jī),繪圖儀,機(jī)器人,等等設(shè)備都以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力核心。




步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)
(1)構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的專用集成電路:
   
A、脈沖分配器集成電路:如三洋公司的PMM8713、PMM8723、PMM8714等。
   
B、包含脈沖分配器和電流斬波的控制器集成電路:如SGS公司的L297、L6506等。
   
C、只含功率驅(qū)動(dòng)(或包含電流控制、保護(hù)電路)的驅(qū)動(dòng)器集成電路:如日本新電元工業(yè)公司的MTD1110(四相斬波驅(qū)動(dòng))和MTD2001(兩相、H橋、斬波驅(qū)動(dòng))。
   
D、將脈沖分配器、功率驅(qū)動(dòng)、電流控制和保護(hù)電路都包括在內(nèi)的驅(qū)動(dòng)控制器集成電路,如東芝公司的TB6560AHQ、MOTOROLA公司的SAA1042(四相)和ALLEGRO公司的UCN5804(四相)等。
 
(2)“細(xì)分驅(qū)動(dòng)”概述:將“電機(jī)固有步距角”細(xì)分成若干小步的驅(qū)動(dòng)方法,稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng),細(xì)分是通過(guò)驅(qū)動(dòng)器精確控制步進(jìn)電機(jī)的相電流實(shí)現(xiàn)的,與電機(jī)本 身無(wú)關(guān)。其原理是,讓定子通電相電流并不一次升到位,而斷電相電流并不一次降為0(繞組電流波形不再是近似方波,而是N級(jí)近似階梯波),則定子繞組電流所 產(chǎn)生的磁場(chǎng)合力,會(huì)使轉(zhuǎn)子有N個(gè)新的平衡位置(形成N個(gè)步距角)。

步進(jìn)電機(jī)分類

步進(jìn)電機(jī)分三種:永磁式(PM)、反應(yīng)式(VR)和混合式(HB)。永磁式步進(jìn)一般為兩相,轉(zhuǎn)矩和體積較小,步進(jìn)角一般為7.5度或15度;反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相,可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出,步進(jìn)角一般為1.5度,但噪聲和振動(dòng)都很大,在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已被淘汰;混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn),分為兩相和五相,兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度,這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。




步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn) 

1. 電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù);

  

2. 電機(jī)停轉(zhuǎn)的時(shí)候具有最大的轉(zhuǎn)矩(當(dāng)繞組激磁時(shí));

  

3. 由于每步的精度在百分之三到百分之五,而且不會(huì)將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性;

  

4. 優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng);

  

5. 由于沒(méi)有電刷,可靠性較高,因此電機(jī)的壽命僅僅取決于軸承的壽命;

  

6. 電機(jī)的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定,因而可以采用開(kāi)環(huán)控制,這使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以比較簡(jiǎn)單而且控制成本;

  

7. 僅僅將負(fù)載直接連接到電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。

  

8. 由于速度正比于脈沖頻率,因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。


缺點(diǎn)

1. 如果控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振;

  

2. 難以運(yùn)轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速。

  

3. 難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩

  

4. 在體積重量方面沒(méi)有優(yōu)勢(shì),能源利用率低。

  

5. 超過(guò)負(fù)載時(shí)會(huì)破壞同步,高速工作時(shí)會(huì)發(fā)出振動(dòng)和噪聲。

說(shuō)了這么多,你要是還不明白,真是沒(méi)救了。


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