步进电机原理及内部结构

一体化步进电机

什么是步进电机,步进电机原理及内部结构是什么,从家中的简单DVD播放器或打印机到高度复杂的数控机床或机械臂,步进电机几乎无处不在。它能够实现电子控制的精确运动,使这些电机可以应用于许多类似的监视器,硬盘,数控机床,3D打印机,机器人,装配机器人,激光切割机等等。在本文中,让我们了解这些电机的特殊之处及其背后的理论。

步进电机简介

与所有电机一样,步进电机也有定子和转子,但与普通直流电机不同,定子由各组线圈组成。线圈的数量将根据步进电机的类型而不同,但是现在只需要了解在步进电机中,转子由金属杆组成,每个杆将被定子中的一组线圈吸引。下图显示了一个带有8个定子极和6个转子极的步进电机。

步进电机内部结构

   如果您看下定子上的线圈,它们按线圈对排列,如AA'形成一对BB'形成一对,依此类推。因此,每个线圈对形成一个电磁铁,它们可以使用驱动电路单独通电。当线圈通电时,它充当磁铁并且转子极与其对准,当转子旋转以调节其自身以与定子对准时,它被称为一步。类似地,通过按顺序激励线圈,我们可以以小步骤旋转电动机以完成旋转。

步进电机的类型

基于结构的步进电机主要有三种类型:

可变磁阻步进电机:它们具有铁芯转子,它被定子磁极吸引,并通过定子和转子之间的最小磁阻提供运动。

永磁步进电机:它们具有永磁转子,它们根据施加的脉冲被排斥或吸引到定子。

混合同步步进电机:它们是可变磁阻和永磁步进电机的组合。

除此之外,我们还可以根据定子绕组的类型将步进电机分类为单极和双极。

双极步进电机:此类电机上的定子线圈不具有公共电线。这种步进电机的驱动是不同的和复杂的,并且没有微控制器也不能容易地设计驱动电路。

单极步进电机:在这种类型的步进电机中,我们可以将相绕组的中心抽头用于公共接地或公共电源,如下所示。这使得驱动电机变得容易,单极步进电机也有很多类型

单极步进电机

步进电机的工作模式

由于步进模式的定子由不同的线圈对构成,因此每个线圈对可以用许多不同的方法激励,这使得模式能够以许多不同的模式驱动。要了解步进电机原理先看看以广泛的分类

全步模式

在全步激励模式下,我们可以以最小的匝数(步长)实现完整的360°旋转。但这会导致惯性减小,旋转也不会平滑。在全步激励中还有两个分类,它们是一个相位波步进和两个相位模式。

1.一个相位步进或波形步进:在此模式下,电机的一个端子(相位)将在任何给定时间通电。这具有较少的步数,因此可以实现完整的360°旋转。由于步数较少,因此该方法消耗的电流也非常低。下表显示了4相步进电机的波形步进顺序

Step

Phase 1

Phase 2

Phase 3

Phase 4

1

1

0

0

0

2

0

1

0

0

3

0

0

1

0

4

0

0

0

1

2.两个阶段性步进:正如该方法中的名称所示,两个阶段将是一个阶段。它具有与波步进相同的步数,但由于两个线圈一次通电,因此与先前的方法相比可以提供更好的扭矩和速度。虽然一个缺点是这种方法也消耗更多的能量。

Step

Phase 1

Phase 2

Phase 3

Phase 4

1

1

1

0

0

2

0

1

1

0

3

0

0

1

1

4

1

0

0

1

半步模式

半步模式是一个相接通模式和两相接通模式的组合。这种组合将帮助我们克服两种模式的上述缺点。

正如您可能已经猜到的那样,因为我们将两种方法结合起来,我们将在此方法中执行8个步骤以获得完整的旋转。下面显示的4相步进电机的切换顺序

Step

Phase 1

Phase 2

Phase 3

Phase 4

1

1

0

0

0

2

1

1

0

0

3

0

1

0

0

4

0

1

1

0

5

0

0

1

1

6

0

0

0

1

7

1

0

0

1

8

1

0

0

0

微步模式

微步进模式是所有产品的复杂功能,但它具有非常好的精度以及良好的扭矩和平稳的操作。在这种方法中,线圈将被两个相隔90°的正弦波激励。这样我们就可以控制流过线圈的电流的方向和幅度,这有助于我们增加电机在一次完整旋转时所需的步数。微步进可以高达256步进行一次完整旋转,这使电机旋转更快更平滑。

如何使用步进电机

足够无聊的理论,让我们假设有人给你一个步进电机说着名的28-BYJ48,你真的很想让它工作。到这个时候你会明白,只要通过电源供电就不可能让这些电机旋转,你会怎么做呢?

28一体化步进电机

所以不像普通的直流电机那么它有五条所有花哨的颜色的电线从它出来,为什么会这样呢?要理解这一点,我们首先应该知道我们已经讨论过的步进器。首先,步进电机不旋转,它们是步进式的,因此它们也称为步进电机。意思是,他们一次只会移动一步。这些电动机中存在一系列线圈,这些线圈必须以特定方式通电以使电动机旋转。当每个线圈通电时,电机需要一步,一系列通电将使电机连续步进,从而使其旋转。让我们看一下电机内部的线圈,确切地知道这些电线来自何处。

步进电机接线

如您所见,电机具有单极5引线线圈布置。有四个线圈必须以特定顺序通电。红线将提供+ 5V,其余四根线将被拉至地,以触发相应的线圈。我们使用任何微控制器以特定顺序激励这些线圈,并使电机执行所需的步骤数。同样,您可以使用许多序列,通常使用4步,并且为了更精确的控制,也可以使用8步控制。 4步控制的序列表如下所示。

Step

Coil Energised

Step 1

A and B

Step 2

B and C

Step 3

C and D

Step 4

D and A

所以现在,为什么这款电机被称为28-BYJ48?认真!我不知道。这种电机的名称没有技术原因;也许我们不应该深入研究它。让我们看看下图中从该电机数据表中获得的一些重要技术数据。

28步进参数

这里面的信息很多,但我们需要看几个重要的信息,以了解我们使用的步进器类型,以便我们可以有效地编程。首先我们知道它是一个5V步进电机,因为我们用5V为红线供电。然后,我们也知道它是一个四相步进电机,因为它有四个线圈。现在,齿轮比为1:64。这意味着只有当电机内部旋转64次时,您在外面看到的轴才能完成一次旋转。这是因为连接在电机和输出轴之间的齿轮,这些齿轮有助于增加扭矩。

需要注意的另一个重要数据是步幅:5.625°/ 64。这意味着当以8步顺序操作时,电机每步将移动5.625度,并且需要64步(5.625 * 64 = 360)才能完成一次完整旋转。

Steps per revolution = 360/step angle Here, 360/11.25 = 32 steps per revolution.

为什么我们需要步进电机的驱动块?

由于步进电机原理的特殊性大多数步进电机只能在驱动模块的帮助下运行。这是因为控制器模块(微控制器/数字电路)将无法从其I / O引脚提供足够的电流以使电机运行。因此我们将使用像ULN2003模块这样的外部模块作为步进电机驱动器。有许多类型的驱动器模块,其中一个的额定值将根据所用电机的类型而改变。所有驱动器模块的主要原理是为电动机提供足够的电流以使其运行。除此之外,还有一些驱动程序模块具有预先编程的逻辑,但我们不会在此讨论它。

如果您想知道如何使用某些微控制器和驱动器控制步进电机,那么我们已经介绍了许多关于其使用不同微控制器操作的文章:

步进电机Arduino 单片机控制

步进电机与STM32单片机控制

小型步进电机驱动器

现在我相信您有足够的信息来控制您的项目所需的任何步进电机。让我们来看看步进电机的优缺点。

步进电机的优点

步进电机的一个主要优点是它具有出色的位置控制,因此可用于精确控制应用。它还具有非常好的保持力矩,使其成为机器人应用的理想选择。步进电机也被认为具有比普通DC或伺服电机更长的使用寿命。

步进电机的缺点

像所有电机一样,步进电机也有其自身的缺点,因为它通过采取小步骤旋转,无法实现高速。即使在理想情况下它也会消耗功率以保持扭矩,从而增加功耗。

以上为步进电机原理及其内部结构。



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