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        步進電機原理及使用說明

        添加時間:2016-04-29

        一、前言  

             步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下,電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數,而不受負載變化的影響,即給電機加一個脈沖信號,電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在,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用,但步進電機并不能象普通的直流電機,交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。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知識。  

             目前,生產步進電機的廠家的確不少,但具有專業技術人員,能夠自行開發,研制的廠家卻非常少,大部分的廠家只一、二十人,連最基本的設備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶在產品選型、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、感應子式步進電機工作原理 

        (一)反應式步進電機原理 

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

        1、結構: 

              電機轉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子齒軸線錯開。 

        0、1/3て、2/3て,(相鄰兩轉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)下面是定轉子的展開圖: 

          

          

        2、旋轉: 

               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應與B對齊,此時轉子向右移過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應與C對齊,此時轉子又向右移過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,轉子又向右移過1/3て 

             這樣經過A、B、C、A分別通電狀態,齒4(即齒1前一齒)移到A相,電機轉子向右轉過一個齒距,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。如按A,C,B,A……通電,電機就反轉。 

             由此可見:電機的位置和速度由導電次數(脈沖數)和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。 

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

            不難推出:電機定子上有m相勵磁繞阻,其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制——這是步進電機旋轉的物理條件。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,在定轉子間將產生磁場(磁通量Ф)當轉子與定子錯開一定角度產生力 

        F與(dФ/dθ)成正比  

         S  

        其磁通量Ф=Br*S   

        Br為磁密,S為導磁面積        

                      F與L*D*Br成正比 

                      L為鐵芯有效長度,D為轉子直徑 

                      Br=N?I/R 

        N?I為勵磁繞阻安匝數(電流乘匝數)R為磁阻。 

        力矩=力*半徑 

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

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

        (二)感應子式步進電機 

        1、特點: 

              感應子式步進電機與傳統的反應式步進電機相比,結構上轉子加有永磁體,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,使其在運轉過程中比較平穩、噪音低、低頻振動小。 

              感應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動),而反應式電機則不能如此。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.不難發現其條件為C= ,D= .  

        一個二相電機的內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或并聯使用。 

        2、分類 

              感應子式步進電機以相數可分為: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等均為國內標準。 

        3、步進電機的靜態指標術語 

        相數:產生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數。常用m表示。 

        拍數:完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態用n表示,或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數,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:對應一個脈沖信號,電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度(轉子齒數J*運行拍數),以常規二、四相,轉子齒為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)。 

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

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

              雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比,與定齒轉子間的氣隙有關,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熱及機械噪音。 

        4、步進電機動態指標及術語: 

        1、步距角精度: 

              步進電機每轉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%。不同運行拍數其值不同,四拍運行時應在5%之內,八拍運行時應在15%以內。 

        2、失步: 

              電機運轉時運轉的步數,不等于理論上的步數。稱之為失步。 

        3、失調角: 

              轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度,電機運轉必存在失調角,由失調角產生的誤差,采用細分驅動是不能解決的。 

        4、最大空載起動頻率: 

              電機在某種驅動形式、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: 

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

        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系的曲線稱為運行矩頻特性,這是電機諸多動態曲線中最重要的,也是電機選擇的根本依據。如下圖所示: 

          

         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,而動態力矩卻不然,電機的動態力矩取決于電機運行時的平均電流(而非靜態電流),平均電流越大,電機輸出力矩越大,即電機的頻率特性越硬。 

        如下圖所示: 

          

        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域,二、四相感應子式步進電機的共振區一般在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,不失步和整個系統的噪音降低,一般工作點均應偏移共振區較多。 

         8、電機正反轉控制: 

              當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA或( )時為正轉,通電時序為DA-CA-BC-AB或( )時為反轉。 

        三、驅動控制系統組成 

              使用、控制步進電機必須由環形脈沖,功率放大等組成的控制系統,其方框圖如下: 

          

        1、脈沖信號的產生。 

              脈沖信號一般由單片機或CPU產生,一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右,電機轉速越高,占空比則越大。 

        2、信號分配 

              我廠生產的感應子式步進電機以二、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 

              功率放大是驅動系統最為重要的部分。步進電機在一定轉速下的轉矩取決于它的動態平均電流而非靜態電流(而樣本上的電流均為靜態電流)。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動系統盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅動方式,到目前為止,驅動方式一般有以下幾種:恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅動、恒流、細分數等。 

              為盡量提高電機的動態性能,將信號分配、功率放大組成步進電機的驅動電源。我廠生產的SH系列二相恒流斬波驅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,驅動電源不工作 

            DIR      方向控制,與CPU地線相接,電機反轉 

            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 

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

          

         4、細分驅動器 

              在步進電機步距角不能滿足使用的條件下,可采用細分驅動器來驅動步進電機,細分驅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的。 

          

        四、步進電機的應用 

        (一)步進電機的選擇 

              步進電機有步距角(涉及到相數)、靜轉矩、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,每個當量電機應走多少角度(包括減速)。電機的步距角應等于或小于此角度。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,靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好,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,由于電流參數不同,其運行特性差別很大,可依據矩頻特性曲線圖,判斷電機的電流(參考驅動電源、及驅動電壓) 

              綜上所述選擇電機一般應遵循以下步驟: 

          

        4、力矩與功率換算 

             步進電機一般在較大范圍內調速使用、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/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(簡稱PPS) 

        (二)、應用中的注意點 

              1、步進電機應用于低速場合---每分鐘轉速不超過1000轉,(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,整步狀態時振動大。 

              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動電壓伏值 ,可根據驅動器選擇驅動電壓(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恒壓驅動外也可以采用其他驅動電源, 不過要考慮溫升。 

              4、轉動慣量大的負載應選擇大機座號電機。 

              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,應通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數的驅動器來解決,也可以采用5相電機,不過其整個系統的價格較貴,生產廠家少,其被淘汰的說法是外行話。 

              7、電機不應在振動區內工作,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,應采用小電流、大電感、低電壓來驅動。 

              9、應遵循先選電機后選驅動的原則。 

        五、其他說明 

             有關低頻振動、升降速、機械共振、工作往復運動的誤差、平面圓弧X、Y插補誤差以及其他問題。具體解決辦法恕不便在此敘述,我廠用戶可來電咨詢,可根據具體情況解決。 

             不同廠家的電機在設計、使用材料及加工工藝方面差別很大,選用步進電機應注重可靠性而輕性能、重品質而輕價格。 

             最好采用同一生產廠家的控制器、驅動器和電機。這樣便于最終客戶的維護。 


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