步进电机

步进电机是一种机电设备，可将电信号转换为轴的离散角运动。步进电机的使用允许机器的工作体通过在运动结束时固定它们的位置来执行严格剂量的运动。

步进电机是提供固定角运动（步进）的执行器。转子角度的任何变化都是步进电机对输入脉冲的响应。

分立式电动步进电机驱动器自然地与数字控制设备相结合，这使其能够成功地用于数字控制金属切削机床、工业机器人和机械手以及时钟机构。

离散电驱动器也可以使用系列来实现 异步电动机，由于特殊控制可以在步进模式下工作。

步进电机用于电力驱动，功率从几分之一瓦到几千瓦不等。可以使用串联异步电动机来扩展离散电驱动器的功率范围，由于适当的控制，这些电动机可以在步进模式下运行。

各类步进电机的工作原理如下。在电子开关的帮助下，产生电压脉冲，将其馈送到位于步进电机定子上的控制线圈。

根据控制线圈的励磁顺序，磁场中的一个或另一个离散变化发生在电机的操作间隙中。随着步进电机控制线圈磁场轴线的角位移，其转子随磁场离散旋转。转子的旋转规律由控制脉冲的顺序、占空比和频率以及步进电机的类型和设计参数决定。

将使用最简单的两相步进电机电路示例（图 1）来考虑步进电机的工作原理（获得转子的离散运动）。

米。 1.带主动转子的步进电机简图

步进电机有两对明确定义的定子极，励磁（控制）绕组位于其上：绕组 3 的端子为 1H — 1K，绕组 2 的端子为 2H — 2K。每个绕组由位于定子1SM的相反两极的两部分组成。

所考虑方案中的转子是两极永磁体。线圈由来自控制设备的脉冲供电，该控制设备将输入控制脉冲的单通道序列转换为多通道序列（根据步进电机的相数）。

考虑步进电机的运行，假设在初始时刻电压施加到线圈 3。该线圈中的电流将磁化垂直放置的磁极 N 和 8。由于磁场与永磁体相互作用转子的磁体，后者将占据平衡位置，在该平衡位置，定子和转子磁场的轴线相同。

位置将是稳定的，因为有一个同步力矩作用在转子上，它倾向于使转子返回到平衡位置：M = Mmax x sinα，

其中 M.max — 最大力矩，α — 定子和转子磁场轴之间的角度。

当控制单元将电压从线圈 3 切换到线圈 2 时，会产生一个水平磁极的磁场，即定子磁场以定子圆周的四分之一进行离散旋转。在这种情况下，定子和转子轴线之间的发散角α = 90°将出现并且最大扭矩Mmax将作用在转子上。转子将旋转角度 α = 90° 并占据一个新的稳定位置。这样，定子磁场步进运动后，电机转子步进运动。

步进电机的主要工作方式是动态的。与同步电机不同，步进电机设计用于从静止状态和强制电制动进入同步状态。由于这一点，步进电驱动器提供启动、停止、反转以及从一种控制脉冲频率到另一种频率的转换。

步进电机是通过输入信号的频率从零突然或逐渐增加到工作频率来启动的，停止是通过降低零来实现的，而反向是通过改变步进电机绕组的开关顺序来实现的。

步进电机的特征在于以下参数：相数（控制线圈）及其连接方案、步进电机的类型（带主动或被动转子）、单转子步距（转子在单个脉冲下的旋转角度） )、标称电源电压、最大静止时间力矩、额定转矩、转子转动惯量、加速频率。

步进电机分为单相、两相和多相，带有主动或被动转子。步进电机由电子控制单元控制。图 2 显示了步进电机控制方案的示例。

米。 2. 开环步进电机电驱动功能图

电压脉冲形式的控制信号被提供给块 1 的输入，例如，它将脉冲序列转换为单极脉冲的四相系统（根据步进电机的相数） .

块 2 产生这些脉冲，这些脉冲的持续时间和振幅是开关 3 正常操作所必需的，步进电机 4 的绕组连接到开关 3 的输出端。开关和其他块由直流电源供电5.

随着对分立驱动器质量要求的提高，采用了步进电驱动器的闭合电路（图3），其除步进电机外，还包括变流器P、换向器K和步进传感器DSh。在这种离散驱动器中，有关工作机构 RM 轴的实际位置和步进电机速度的信息被馈送到自动调节器的输入端，这提供了驱动器运动的设定特性。

米。 3. 闭环离散驱动功能图

现代离散驱动系统使用微处理器控制。步进电机驱动器的应用范围在不断扩大。它们在焊接机、同步装置、磁带和录音机、内燃机的燃料供应控制系统中的应用前景广阔。

步进电机的优点：

• 高精度，即使是开环结构，即无转向角传感器；

• 与数字管理应用程序的本地集成；

• 缺少经常导致其他类型发动机出现问题的机械开关。

步进电机的缺点：

• 低扭矩，但与连续驱动电机相比；

• 限速；

• 由于颠簸运动导致的高水平振动；

• 开环系统中的大误差和脉冲丢失振荡。

步进电机的优点远远大于缺点，因此常用于驱动装置功率小就足够的场合。

本文使用的材料来自 Daineko V.A.、Kovalinsky A.I. 一书。农业企业的电气设备。