步进电机的发展、应用和种类简介
步进电机最早是在1920年代由英国人所开发。1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上,对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良,使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中,我们很容易发现步进电机的踪迹,尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。
步进电机依其构造上的差异可分为三大类: (下图一)
· 可变磁阻式(VR型):
转子以软铁加工成齿状,当定子线圈不加激磁电压时,保持转矩为零,故其转子惯性小、响应性佳,但其容许负荷惯性并不大。其步进角通常为15°。
· 永久磁铁式(PM型):
转子由永久磁铁构成,其磁化方向为辐向磁化,无激磁时有保持转矩。依转子材质区分,其步进角有45°、90°及7.5°、11.25°、15°、18°等几种。
· 混和式(HB型):
转子由轴向磁化的磁铁制成,磁极做成复极的形式,其乃兼采可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点,精确度高、转矩大、步进角度小。
(图一)
目前市场上所使用的工业用步进电机,以混和式(HB型)最为普遍。
步进电机的特征
高精度的定位: 步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制。以5相步进电机为例:其定位基本单位(分辨率)为0.72°(全步级)/0.36°(半步级),是非常小的;停止定位精度误差皆在±3分(±0.05°)以内,且无累计误差,故可达到高精度的定位控制。(步进电机的定位精度是取决于电机本身的机械加工精度)位置及速度控制: 步进电机在输入脉冲信号时,可以依输入的脉冲数做固定角度的回转进而得到灵活的角度控制(位置控制),并可得到与该脉冲信号周波数(频率)成比例的回转速度。具定位保持力: 步进电机在停止状态下(无脉波信号输入时),仍具有激磁保持力,故即使不依靠机械式的剎车,也能做到停止位置的保持。动作灵敏: 步进电机因为加速性能优越,所以可做到瞬时起动、停止、正反转之快速、频繁的定位动作。开回路控制、不必依赖传感器定位: 步进电机的控制系统构成简单,不需要速度感应器(ENCODER、转速发电机)及位置传感器(SENSOR),就能以输入的脉波做速度及位置的控制。也因其属开回路控制,故最适合于短距离、高频度、高精度之定位控制的场合下使用。中低速时具备高转矩: 步进电机在中低速时具有较大的转矩,故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。高信赖性: 使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较,步进电机的故障及误动作少,所以在检查及保养时也较简单容易。小型、高功率: 步进电机体积小、扭力大,尽管于狭窄的空间内,仍可顺利做安装,并提供高转矩输出。