步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器原理

1、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器原理步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自 動(dòng)化設(shè)備中。步進(jìn)電機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)不同之處在于它是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為 角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它同時(shí)完成兩個(gè)工作：一是傳遞轉(zhuǎn)矩，二是控制轉(zhuǎn)角位置或 速度。1 步進(jìn)電機(jī)工作原理圖1.1為兩相步進(jìn)電機(jī)的工作原理示意圖，它有2個(gè)繞組。當(dāng)一個(gè)繞組通電后， 其疋千陸極產(chǎn)注磁如將轉(zhuǎn)千吸咅釧此建極仏若繞組在輕制鮒中的作用逋電方 向順序按照応 T巧豆T瓦4 T 四個(gè)狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，電機(jī)可順時(shí)針轉(zhuǎn) 動(dòng)?通電時(shí)序?yàn)槲?T豆& T瓦4 T 時(shí)，電機(jī)就逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂泼}沖每使用 一次，通電方向就變化一次，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即90度

2、乜4個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一議 脈沖頻率越高，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越快。步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩與電機(jī)的有效體積、線圈匝數(shù)*磁通量、電流成正比，因此 電機(jī)有效體積越大.線圈匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大.反之亦憨。B（圖1 1兩豐觀進(jìn)電機(jī)原理圏2 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)前端釜亠“轉(zhuǎn)子鐵芯圖1.2步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖3 驅(qū)動(dòng)器原理步進(jìn)電機(jī)必須有驅(qū)動(dòng)器和控制器才能正常工作。驅(qū)動(dòng)器的作用是對(duì)控制脈沖進(jìn)行環(huán)形分配、功率放大，使步進(jìn)電機(jī)繞組按一定順序通電，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。Vcc歩進(jìn)電機(jī)XI-圖1.3步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)以兩相步進(jìn)電機(jī)為例，當(dāng)給驅(qū)動(dòng)器一個(gè)脈沖信號(hào)和一個(gè)正方向信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng) 器經(jīng)過環(huán)形分配器和功率放大后，給電機(jī)繞組通電的順序?yàn)椋?/p>

3、其四個(gè)狀態(tài)周而復(fù) 始進(jìn)行變化，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；若方向信號(hào)變?yōu)樨?fù)時(shí)，通電時(shí)序就變?yōu)?，電機(jī)就逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(裁止時(shí)圖1.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖分析步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖1.4，當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)有：Ri x + L 色丄 + ER為電路中存在的等效電阻。如果，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E= 0,則:時(shí)間常數(shù)：T = 礦電機(jī)線圈電感越小，電機(jī)響應(yīng)速度越快。 T截止時(shí)有0 二婦 + E -+ E2dt如果，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，感應(yīng)電渤勢(shì)E = 0,則：_ tL Z圖L5中虛線為電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電流的響應(yīng)曲線，實(shí)線為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電流的響應(yīng)曲 線。歩進(jìn)電機(jī)輸岀力矩與線圈中的電流成正比。由于電流有振蕩，所以電機(jī)轉(zhuǎn)軸位置 也有振蕩，

4、如圖1以圖1飛電機(jī)線圈電流響應(yīng)曲線ca/ X/2O1電機(jī)軸轉(zhuǎn)角位苴曲線隨著電子技術(shù)的發(fā)展，功率放大電路由單電壓電路、高低壓電路發(fā)展到現(xiàn)在 的斬波電路。其基本原理是：在電機(jī)繞組回路中，串聯(lián)一個(gè)電流檢測(cè)回路，當(dāng)繞 組電流降低到某一下限值時(shí)，電流檢測(cè)回路發(fā)出信號(hào)，控制高壓開關(guān)管導(dǎo)通，讓 高壓再次作用在繞組上，使繞組電流重新上升；當(dāng)電流回升到上限值時(shí)，高壓電源又自動(dòng)斷開。重復(fù)上述過程，使繞組電流的平均值增加，電流波形的波頂維持 在預(yù)定數(shù)值上，解決了高低壓電路在低頻段工作時(shí)電流下凹的問題， 使電機(jī)在低 頻段力矩增大。步進(jìn)電機(jī)一定時(shí)，供給驅(qū)動(dòng)器的電壓值對(duì)電機(jī)性能影響較大， 電壓越高，步 進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高、力

5、矩越大；在驅(qū)動(dòng)器上一般設(shè)有相電流調(diào)節(jié)開關(guān)， 相電流設(shè)的 越大，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高、力矩越大。4 細(xì)分控制原理為了提高步進(jìn)電機(jī)的性能，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)廣泛應(yīng)用。細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的原理是通過改變A，B相電流的大小，以改變合成磁場(chǎng)的夾角，從而可將一個(gè)步距角細(xì)分為多步。宇子A/圖1.7步進(jìn)電機(jī)細(xì)分原理圖仍以二相步進(jìn)電機(jī)為例，當(dāng)A、B相繞組同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將停在A、B相磁極中 間，如圖 1.7 所示。若通電方向順序按照 AA-AA + BBBBBB+AA-AAAA + BB-BB-BB + AA 8個(gè)狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步，為45度，8個(gè)脈沖 電機(jī)轉(zhuǎn)一周。與圖1.1相比，它的步距角小

6、了一半。為了保證電機(jī)輸出的力矩均勻，A、B相線圈電流的大小也要調(diào)整，使A、B相產(chǎn)生 的合力在每個(gè)位置相同，圖1.8所示為4細(xì)分時(shí)A、B相線圈電流的關(guān)系。A、B相線圈 電流大小與轉(zhuǎn)角關(guān)系如圖1. 9所示。圖1. 8 A、B線圈電流的大小的分配原理圖 1.94細(xì)分時(shí)，A、R線圈電流大小與角度的關(guān)系細(xì)分?jǐn)?shù)越高，電流越平滑，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)就越平穩(wěn)。驅(qū)動(dòng)器一般都具有細(xì)分功能， 常見的細(xì)分倍數(shù)有：1/2，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64，1/256 ；或：1/5，1/10， 1/20。細(xì)分后步進(jìn)電機(jī)步距角按下列方法計(jì)算：步距角=電機(jī)固有步距角/細(xì)分?jǐn)?shù)例如：一臺(tái)1.8。電機(jī)設(shè)定為4細(xì)分，其步距角為1.

7、8 / 4 = 0.45。當(dāng)細(xì)分等級(jí)大于1/4后，電機(jī)的定位精度并不能提高，只是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)更平穩(wěn)。5.步進(jìn)電機(jī)的術(shù)語及特點(diǎn)相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極N、S磁場(chǎng)的勵(lì)磁線圈對(duì)數(shù)。步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移。一般二相電機(jī)的步距角為1.8度，即電機(jī)運(yùn)動(dòng)200步為一周。靜力矩(HOLDING TORQUE ):是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重 要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近于靜力矩。定位力矩(DETENT TORQUE ):是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：

8、(誤差/步距角)100%。步進(jìn)角的誤差不累積。最大空載起動(dòng)頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接 起動(dòng)的最大頻率。最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高運(yùn)行頻率。 相電流：電機(jī)繞組所通過的電流。電機(jī)矩頻特性：電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與脈沖頻率關(guān)系的曲線稱為電 機(jī)矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的， 也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。如 圖2.2所示，在低速時(shí)的電機(jī)力矩接近靜轉(zhuǎn)矩，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 加大，削弱了外加電壓的作用，使電機(jī)輸出力矩減小圖1.W步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線圖1.10中，曲線3電流最大、或

9、電壓最高；曲線1電流最小、或電壓最低， 曲線與負(fù)載的交點(diǎn)為負(fù)載的最大速度點(diǎn)。電機(jī)的共振點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在 180-250pps之間（步距角1.8度）。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載 越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然。為使電機(jī)輸出力矩大，不 失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。丟步（失步）：控制器給電機(jī)發(fā)了 n個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)并沒有轉(zhuǎn)動(dòng)n個(gè)步距角。一般當(dāng)電 機(jī)力矩偏小、加速度偏大、速度偏高、摩擦力不均勻等都會(huì)是丟步現(xiàn)象發(fā)生。 步進(jìn)電機(jī)的類型：現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（ VR）、永磁式步進(jìn)電

10、機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB ）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度;反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 1.5度，但 噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成， 定子上有多相 勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；混合式步進(jìn)電機(jī)是指綜合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)。 它又 分為兩相、三相和五相：兩相步進(jìn)角一般為 1.8度，三相步進(jìn)角一般為1.2度， 而五相步進(jìn)角一般為0.72度。6.步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器接線1）步進(jìn)電機(jī)線圈的串、并聯(lián)許多2相步進(jìn)電機(jī)有8根引線，這種電機(jī)既可以串聯(lián)連接又可以并聯(lián)連接

11、。 串聯(lián)連接的電機(jī)，線圈長(zhǎng)度增加，力矩較大；并聯(lián)連接的電機(jī)，電感較小， 所以啟動(dòng)、停止速度較快。3雙極性線圈(b)經(jīng)圈串聯(lián)注意：通過對(duì)調(diào)A和A在驅(qū)動(dòng)器上的位置，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)2) 用萬用表確認(rèn)線圈極性在沒有電機(jī)說明書時(shí)，可以用萬用表確認(rèn)電機(jī) 8引線的極性，方法如下： A先用萬用表測(cè)量8個(gè)引線之間的電阻，可判斷出4組線圈引線；B 由于只接1、6，2、8或1、6，7、4二個(gè)線圈電機(jī)也能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，所 以，在4個(gè)線圈中任選2個(gè)，接在驅(qū)動(dòng)器上；如果電機(jī)不轉(zhuǎn)，說明這2組線圈是A相線圈；另外2個(gè)線圈是B相的2個(gè) 線圈；如果電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，說明這2個(gè)線圈一個(gè)是A相，一個(gè)是B相線圈；C接2組線圈讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，再?gòu)氖Ｏ碌?2個(gè)線圈中任選一個(gè)線圈，串聯(lián) 在A相線圈上，如果電機(jī)電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)了，說明該線圈是 A相的另一個(gè)線圈；如果電機(jī)不轉(zhuǎn)，將這個(gè)線圈的正負(fù)對(duì)調(diào)后再試一次， 如果電機(jī)還不轉(zhuǎn)，說明 該線圈是B相的另一個(gè)線圈。D用上述同樣方法，可以確定最后一個(gè)線圈的極性。3) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的接線：光電隔離元件的