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步進電機原理及使用說明

http://njchuangji.com 2015年09月19日        

一、前言


  步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下,電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù),而不受負載變化的影響,即給電機加一個脈沖信號,電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在,加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。

  雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用,但步進電機并不能象普通的直流電機,交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事,它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。

  目前,生產(chǎn)步進電機的廠家的確不少,但具有專業(yè)技術(shù)人員,能夠自行開發(fā),研制的廠家卻非常少,大部分的廠家只一、二十人,連最基本的設(shè)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況,我們決定以廣泛的感應(yīng)子式步進電機為例。敘述其基本工作原理。望能對廣大用戶在選型、使用、及整機改進時有所幫助。

  二、感應(yīng)子式步進電機工作原理

 ?。ㄒ唬┓磻?yīng)式步進電機原理

  由于反應(yīng)式步進電機工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進電機原理。

  1、結(jié)構(gòu):

  電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒,定子齒有三個勵磁繞阻,其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。

  0、1/3て、2/3て,(相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示),即A與齒1相對齊,B與齒2向右錯開1/3て,C與齒3向右錯開2/3て,A'與齒5相對齊,(A'就是A,齒5就是齒1)下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖:

  2、旋轉(zhuǎn):

  如A相通電,B,C相不通電時,由于磁場作用,齒1與A對齊,(轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同)。

  如B相通電,A,C相不通電時,齒2應(yīng)與B對齊,此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3て,此時齒3與C偏移為1/3て,齒4與A偏移(て-1/3て)=2/3て。

  如C相通電,A,B相不通電,齒3應(yīng)與C對齊,此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て,此時齒4與A偏移為1/3て對齊。

  如A相通電,B,C相不通電,齒4與A對齊,轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て

  這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài),齒4(即齒1前一齒)移到A相,電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距,如果不斷地按A,B,C,A……通電,電機就每步(每脈沖)1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A,C,B,A……通電,電機就反轉(zhuǎn)。

  由此可見:電機的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)(脈沖數(shù))和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。

  不過,出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài),這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過二相電流不同的組合,使其1/3て變?yōu)?/12て,1/24て,這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。

  不難推出:電機定子上有m相勵磁繞阻,其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進電機旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機,出于成本等多方面考慮,市場上一般以二、三、四、五相為多。

  3、力矩:

  電機一旦通電,在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(磁通量Ф)當轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力

  F與(dФ/dθ)成正比 S

  其磁通量Ф=Br*S

  Br為磁密,S為導(dǎo)磁面積

F與L*D*Br成正比

L為鐵芯有效長度,D為轉(zhuǎn)子直徑

Br=N·I/R

  N·I為勵磁繞阻安匝數(shù)(電流乘匝數(shù))R為磁阻。

  力矩=力*半徑

  力矩與電機有效體積*安匝數(shù)*磁密 成正比(只考慮線性狀態(tài))

  因此,電機有效體積越大,勵磁安匝數(shù)越大,定轉(zhuǎn)子間氣隙越小,電機力矩越大,反之亦然。

 ?。ǘ└袘?yīng)子式步進電機

  1、特點:

  感應(yīng)子式步進電機與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進電機相比,結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體,以提供軟磁材料的工作點,而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能,因此該電機效率高,電流小,發(fā)熱低。因永磁體的存在,該電機具有較強的反電勢,其自身阻尼作用比較好,使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。

  感應(yīng)子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行,也可以作二相運行。(必須采用雙極電壓驅(qū)動),而反應(yīng)式電機則不能如此。例如:四相,八相運行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用二相八拍運行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為C=,D=.

  一個二相電機的內(nèi)部繞組與四相電機完全一致,小功率電機一般直接接為二相,而功率大一點的電機,為了方便使用,靈活改變電機的動態(tài)特點,往往將其外部接線為八根引線(四相),這樣使用時,既可以作四相電機使用,可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。

  2、分類

  感應(yīng)子式步進電機以相數(shù)可分為:二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。以機座號(電機外徑)可分為:42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進電機代號)、57BYG、86BYG、110BYG、(國際標準),而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內(nèi)標準。

  3、步進電機的靜態(tài)指標術(shù)語

  相數(shù):產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。

  拍數(shù):完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示,或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù),以四相電機為例,有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.

  步距角:對應(yīng)一個脈沖信號,電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度(轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)),以常規(guī)二、四相,轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/(50*4)=1.8度(俗稱整步),八拍運行時步距角為θ=360度/(50*8)=0.9度(俗稱半步)。

  定位轉(zhuǎn)矩:電機在不通電狀態(tài)下,電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩(由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的)

  靜轉(zhuǎn)矩:電機在額定靜態(tài)電作用下,電機不作旋轉(zhuǎn)運動時,電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積(幾何尺寸)的標準,與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。

  雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比,與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān),但過份采用減小氣隙,增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的,這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。

  4、步進電機動態(tài)指標及術(shù)語:

  1、步距角精度:

  步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示:誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同,四拍運行時應(yīng)在5%之內(nèi),八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi)。

  2、失步:

  電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù),不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。

  3、失調(diào)角:

  轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度,電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角,由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差,采用細分驅(qū)動是不能解決的。

  4、最大空載起動頻率:

  電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下,在不加負載的情況下,能夠直接起動的最大頻率。

  5、最大空載的運行頻率:

  電機在某種驅(qū)動形式,電壓及額定電流下,電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。

  6、運行矩頻特性:

  電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性,這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的,也是電機選擇的根本依據(jù)。

  其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。

  電機一旦選定,電機的靜力矩確定,而動態(tài)力矩卻不然,電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流(而非靜態(tài)電流),平均電流越大,電機輸出力矩越大,即電機的頻:

  其中,曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低,曲線與負載的交點為負載的最大速度點。

  要使平均電流大,盡可能提高驅(qū)動電壓,使采用小電感大電流的電機。

  7、電機的共振點:

  步進電機均有固定的共振區(qū)域,二、四相感應(yīng)子式步進電機的共振區(qū)一般在180-250pps之間(步距角1.8度)或在400pps左右(步距角為0.9度),電機驅(qū)動電壓越高,電機電流越大,負載越輕,電機體積越小,則共振區(qū)向上偏移,反之亦然,為使電機輸出電矩大,不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低,一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。

  8、電機正反轉(zhuǎn)控制:

  當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA或()時為正轉(zhuǎn),通電時序為DA-CA-BC-AB或()時為反轉(zhuǎn)。
  三、驅(qū)動控制系統(tǒng)組成

  使用、控制步進電機必須由環(huán)形脈沖,功率放大等組成的控制系統(tǒng).

  1、脈沖信號的產(chǎn)生。

  脈沖信號一般由單片機或CPU產(chǎn)生,一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右,電機轉(zhuǎn)速越高,占空比則越大。

  2、信號分配

  我廠生產(chǎn)的感應(yīng)子式步進電機以二、四相電機為主,二相電機工作方式有二相四拍和二相八拍二種,具體分配如下:二相四拍為,步距角為1.8度;二相八拍為,步距角為0.9度。四相電機工作方式也有二種,四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB,步距角為1.8度;四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角為0.9度)。

  3、功率放大

  功率放大是驅(qū)動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流(而樣本上的電流均為靜態(tài)電流)。平均電流越大電機力矩越大,要達到平均電流大這就需要驅(qū)動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅(qū)動方式,到目前為止,驅(qū)動方式一般有以下幾種:恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動、恒流、細分數(shù)等。

  為盡量提高電機的動態(tài)性能,將信號分配、功率放大組成步進電機的驅(qū)動電源。我廠生產(chǎn)的SH系列二相恒流斬波驅(qū)動電源與單片機及電機接線圖如下:

說明:

CP 接CPU脈沖信號(負信號,低電平有效)

OPTO 接CPU+5V

FREE 脫機,與CPU地線相接,驅(qū)動電源不工作

DIR 方向控制,與CPU地線相接,電機反轉(zhuǎn)

VCC 直流電源正端

GND 直流電源負端

A 接電機引出線紅線

接電機引出線綠線

B 接電機引出線黃線

接電機引出線藍線

  步進電機一經(jīng)定型,其性能取決于電機的驅(qū)動電源。步進電機轉(zhuǎn)速越高,力距越大則要求電機的電流越大,驅(qū)動電源的電壓越高。電壓對力矩影響如下:

  4、細分驅(qū)動器

  在步進電機步距角不能滿足使用的條件下,可采用細分驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機,細分驅(qū)動器的原理是通過改變相鄰(A,B)電流的大小,以改變合成磁場的夾角來控制步進電機運轉(zhuǎn)的。

  四、步進電機的應(yīng)用

 ?。ㄒ唬┎竭M電機的選擇

  步進電機有步距角(涉及到相數(shù))、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定,步進電機的型號便確定下來了。

  1、步距角的選擇

電機的步距角取決于負載精度的要求,將負載的最小分辨率(當量)換算到電機軸上,每個當量電機應(yīng)走多少角度(包括減速)。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度(五相電機)、0.9度/1.8度(二、四相電機)、1.5度/3度 (三相電機)等。

  2、靜力矩的選擇

  步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定,我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載,而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時(一般由低速)時二種負載均要考慮,加速起動時主要考慮慣性負載,恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下,靜力矩應(yīng)為摩擦負載的2-3倍內(nèi)好,靜力矩一旦選定,電機的機座及長度便能確定下來(幾何尺寸)

  3、電流的選擇

  靜力矩一樣的電機,由于電流參數(shù)不同,其運行特性差別很大,可依據(jù)矩頻特性曲線圖,判斷電機的電流(參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓)

  綜上所述選擇電機一般應(yīng)遵循以下步驟:

  4、力矩與功率換算

  步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的,一般只用力矩來衡量,力矩與功率換算如下:

P= Ω·M

Ω=2π·n/602π·n/60

P=2πnM/60

  其P為功率單位為瓦,Ω為每秒角速度,單位為弧度,n為每分鐘轉(zhuǎn)速,M為力矩單位為牛頓·米

  P=2πfM/400(半步工作)

  其中f為每秒脈沖數(shù)(簡稱PPS)

  (二)、應(yīng)用中的注意點

  1、步進電機應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn),(0.9度時6666PPS),最好在1000-3000PPS(0.9度)間使用,可通過減速裝置使其在此間工作,此時電機工作效率高,噪音低。

  2、步進電機最好不使用整步狀態(tài),整步狀態(tài)時振動大。

  3、由于歷史原因,只有標稱為12V電壓的電機使用12V外,其他電機的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值 ,可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓(建議:57BYG采用直流24V-36V,86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V),當然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源, 不過要考慮溫升。

  4、轉(zhuǎn)動慣量大的負載應(yīng)選擇大機座號電機。

  5、電機在較高速或大慣量負載時,一般不在工作速度起動,而采用逐漸升頻提速,一電機不失步,二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。

  6、高精度時,應(yīng)通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數(shù)的驅(qū)動器來解決,也可以采用5相電機,不過其整個系統(tǒng)的價格較貴,生產(chǎn)廠家少,其被淘汰的說法是外行話。

  7、電機不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作,如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。

  8、電機在600PPS(0.9度)以下工作,應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。

  9、應(yīng)遵循先選電機后選驅(qū)動的原則。



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