了解步進馬達基礎知識
介紹
步進馬達是一種將電脈衝訊號轉換為角位移或直線位移的電磁裝置. 這類馬達因其控制精確且不需要回饋系統的優點在自動化控制領域非常常見. 本文將介紹基本概念, 工作原理, 類型, 以及步進馬達對初學者的應用.
什麼是步進電機?
步進電機是一種數位控制電機，透過數位訊號控制電機的旋轉. 每個電脈衝都會使馬達旋轉固定角度, 稱為步距角. 這個特點 步進電機 使得它們在需要精確位置控制的情況下非常有用.
步進馬達的工作原理
與所有馬達一樣, 步進馬達還包括固定部分 (定子) 和一個移動部件 (轉子). 定子有一個齒輪狀的突起，上面纏繞著線圈, 而轉子是永久磁鐵或可變磁阻鐵芯. 稍後我們將更深入地了解不同的轉子結構. 數位 1 顯示具有可變磁阻鐵芯轉子的馬達的橫截面.
步進馬達的基本工作原理是: 一個或多個定子的相通電, 電流通過線圈會產生磁場, 並且轉子將與磁場對齊; 依序向不同相施加電壓, 轉子將旋轉特定角度並最終到達所需位置.
數位 2 顯示這是如何工作的. 第一的, 線圈A通電並產生磁場, 與轉子對齊; 線圈B通電後, 轉子順時針旋轉 60° 以與新磁場對齊; 當線圈C通電時也會發生同樣的情況. 下圖定子齒的顏色表示定子繞組所產生的磁場方向.
步進馬達的類型和結構
步進馬達的性能 (是否是解析度/步長, 速度或扭矩) 受施工細節影響, 同時, 這些細節也可能影響馬達的控制方式. 實際上, 並非所有步進馬達都具有相同的內部結構 (或建築), 因為不同的馬達有不同的轉子和定子配置.
轉子
步進馬達基本上有三種類型的轉子:
- 永磁轉子: 轉子是永久磁鐵, 與定子電路產生的磁場對齊. 該轉子保證良好的扭矩並具有製動扭矩. 這意味著無論線圈是否通電, 馬達可以抵抗 (即使不是很強烈) 位置的變化. 然而, 與其他轉子類型相比, 其缺點是速度和解析度都較低. 數位 3 顯示永磁步進馬達的橫截面.
- 變磁阻轉子: 轉子由鐵芯製成，具有特殊形狀，可以與磁場對齊 (見圖 1 和 2). 這種轉子更容易實現高速和高解析度, 但其產生的扭矩一般較低且沒有製動扭矩.
- 混合轉子: 該轉子結構特殊, 它是永久磁鐵和可變磁阻轉子的混合體. 轉子上有兩個軸向磁化的磁帽, 磁帽上有交替的小齒. 這種配置使馬達兼具永磁轉子和可變磁阻轉子的優點, 尤其是高分辨率, 高轉速、高扭矩. 當然, 更高的性能要求意味著更複雜的結構和更高的成本. 數位 3 顯示了此馬達結構的簡化示意圖. 線圈A通電時, 轉子N磁帽的小齒與磁化S的定子齒對齊. 同時, 由於轉子的結構, 轉子S磁帽與磁化N的定子齒對齊. 雖然步進馬達的工作原理是一樣的, 實際馬達的結構更為複雜, 且齒數比圖中所示的多. 大量的齒可以讓馬達獲得很小的步進角, 小至 0.9°.
定子
定子是馬達的一部分，負責產生與轉子對齊的磁場. 定子電路的主要特性與其相數有關, 極數和電線配置. 相數就是獨立線圈的數量, 極數代表每相佔用的主要齒對. 最常用的是兩相步進電機, 而三相和五相電機則較不常用 (見圖 5 和 6).
步進馬達的特點
- 精確控制: 步進馬達可以精確控制角度和速度.
- 無需反饋: 由於其工作原理, 步進電機 通常不需要位置回饋系統.
- 易於控制: 步進馬達可以透過簡單的脈衝訊號進行控制.
- 低速高扭矩: 低速時, 步進馬達可以提供大扭矩.
步進馬達的應用
步進電機 廣泛應用於各領域, 包括但不限於:
- 自動化機械: 用於精確控制機械手臂的位置.
- 印表機和掃描儀: 控製印字頭和掃描頭的移動.
- 機器人技術: 用於控制機器人關節的運動.
- 醫療設備: 在一些精密醫療設備中控制部件的精確運動.
如何選擇步進電機?
選擇步進馬達時, 考慮以下因素:
- 扭力要求: 根據應用的負載和速度要求選擇合適的扭矩.
- 步距角: 步距角越小, 馬達的解析度越高, 而且控制得越精細.
- 速度: 根據應用需求選擇合適的速度範圍.
- 尺寸和形狀: 根據安裝空間和設計要求選擇合適的馬達尺寸.
結論
步進電機 用途廣泛，適合需要精確控制的應用. 透過這個介紹, 初學者應該對步進馬達有基本的了解，並能夠開始探索其在各種應用中的潛力. 隨著科技的不斷進步, 步進馬達的應用範圍也不斷擴大, 為現代自動化和精密控制提供強力支撐.
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