步進(jìn)電機(jī)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)-

1、有關(guān)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本知識(shí)1、系統(tǒng)常識(shí):步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能,不但取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自身的性能,也取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣。對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研究幾乎是與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究同步進(jìn)行的。2、系統(tǒng)概述:步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行元件。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)(來(lái)自控制器,它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”,它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。3、系統(tǒng)控制:步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到直流或交流電源上工作,必須使用專用的驅(qū)動(dòng)電源(步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器?？刂破?脈沖信號(hào)發(fā)生器可以通過(guò)控制脈沖

2、的個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。4、用途:步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種控制用的特種電機(jī),作為執(zhí)行元件,是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展(步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器性能提高,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需求量與日俱增。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中精度沒有積累誤差的特點(diǎn),使其廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制系統(tǒng),特別是開環(huán)控制系統(tǒng)。5、步進(jìn)電機(jī)按結(jié)構(gòu)分類:步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也叫脈沖電機(jī),包括反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(VR、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(PM、混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(HB等。(1反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī):也叫感應(yīng)式、磁滯式或磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其定子和轉(zhuǎn)子均由軟磁材料制成

3、,定子上均勻分布的大磁極上裝有多相勵(lì)磁繞組,定、轉(zhuǎn)子周邊均勻分布小齒和槽,通電后利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。一般為三、四、五、六相;可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出(消耗功率較大,電流最高可達(dá)20A,驅(qū)動(dòng)電壓較高;步距角小(最小可做到10;斷電時(shí)無(wú)定位轉(zhuǎn)矩;電機(jī)內(nèi)阻尼較小,單步運(yùn)行(指脈沖頻率很低時(shí)震蕩時(shí)間較長(zhǎng);啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高。(2永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī):通常電機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁材料制成,軟磁材料制成的定子上有多相勵(lì)磁繞組,定、轉(zhuǎn)子周邊沒有小齒和槽,通電后利用永磁體與定子電流磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。一般為兩相或四相;輸出轉(zhuǎn)矩小(消耗功率較小,電流一般小于2A,驅(qū)動(dòng)電壓12V;步距角大(例如7.5度、15度、22.5度等;斷

4、電時(shí)具有一定的保持轉(zhuǎn)矩;啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較低。(3混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī):也叫永磁反應(yīng)式、永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī),混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。其定子和四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒有區(qū)別(但同一相的兩個(gè)磁極相對(duì),且兩個(gè)磁極上繞組產(chǎn)生的N、S極性必須相同,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜(轉(zhuǎn)子內(nèi)部為圓柱形永磁鐵,兩端外套軟磁材料,周邊有小齒和槽。一般為兩相或四相;須供給正負(fù)脈沖信號(hào);輸出轉(zhuǎn)矩較永磁式大(消耗功率相對(duì)較小;步距角較永磁式小(一般為1.8度;斷電時(shí)無(wú)定位轉(zhuǎn)矩;啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高;是目前發(fā)展較快的一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。6、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按工作方式分類:可分為功率式和伺服式兩種。(1功率式:輸出轉(zhuǎn)矩較大,能直接帶動(dòng)較大負(fù)載(一般使

5、用反應(yīng)式、混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。(2伺服式:輸出轉(zhuǎn)矩較小,只能帶動(dòng)較小負(fù)載(一般使用永磁式、混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。7、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇:(1首先選擇類型,其次是具體的品種與型號(hào)。(2反應(yīng)式、永磁式和混合式三種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)、外形尺寸、安裝方法、脈沖電源種類和控制電路等都不同,價(jià)格差異也很大,選擇時(shí)應(yīng)綜合考慮。(3具有控制集成電路的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)優(yōu)先考慮。8、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù):(1電機(jī)固有步距角:它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào),電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值,如86BYG250A型電機(jī)給出的值為0.9°/1.8°(表示半步工作時(shí)為0.9°、整步

6、工作時(shí)為1.8°,這個(gè)步距角可以稱之為電機(jī)固有步距角,它不一定是電機(jī)工作時(shí)的實(shí)際步距角,實(shí)際步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。(2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù):是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù),目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同,其步距角也不同,一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)增加相數(shù)能提高性能,但步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電源都會(huì)更復(fù)雜,成本也會(huì)增加。(3保持轉(zhuǎn)矩(HOLDING TORQUE:也叫最大靜轉(zhuǎn)矩,是在額定靜態(tài)電流下施加在已通電的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上而

7、不產(chǎn)生連續(xù)旋轉(zhuǎn)的最大轉(zhuǎn)矩。它是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最重要的參數(shù)之一,通常步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減,輸出功率也隨速度的增大而變化,所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如,當(dāng)人們說(shuō)2N.m的步進(jìn)電機(jī),在沒有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。(4步距精度:可以用定位誤差來(lái)表示,也可以用步距角誤差來(lái)表示。(5矩角特性:步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子離開平衡位置后所具有的恢復(fù)轉(zhuǎn)矩,隨著轉(zhuǎn)角的偏移而變化。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系稱為矩角特性。(6靜態(tài)溫升:指電機(jī)靜止不動(dòng)時(shí),按規(guī)定的運(yùn)行方式中最多的相數(shù)通以額定靜態(tài)電流,達(dá)到穩(wěn)定的熱

8、平衡狀態(tài)時(shí)的溫升。(7動(dòng)態(tài)溫升:電機(jī)在某一頻率下空載運(yùn)行,按規(guī)定的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行工作,運(yùn)行時(shí)間結(jié)束后電機(jī)所達(dá)到的溫升叫動(dòng)態(tài)溫升。(8轉(zhuǎn)矩特性:它表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩和單相通電時(shí)勵(lì)磁電流的關(guān)系。(9啟動(dòng)矩頻特性:啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱為啟動(dòng)矩頻特性。(10運(yùn)行矩頻特性/慣頻特性:略(11升降頻時(shí)間:指電機(jī)從啟動(dòng)頻率升到最高運(yùn)行頻率或從最高運(yùn)行頻率降到啟動(dòng)頻率所需的時(shí)間。(12DETENT TORQUE:是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒有通電的情況下,定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT TORQUE 在國(guó)內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式,容易產(chǎn)生誤解;反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料,所以它沒有DETENT TORQUE。9、步進(jìn)

9、電動(dòng)機(jī)的一些特點(diǎn):(1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒有積累誤差:一般步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的精度為實(shí)際步距角的3-5%,且不累積。(2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在工作時(shí),脈沖信號(hào)按一定順序輪流加到各相繞組上(由驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的環(huán)形分配器控制繞組通斷電的方式。(3即使是同一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī),在使用不同驅(qū)動(dòng)方案時(shí),其矩頻特性也相差很大。(4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與其它電動(dòng)機(jī)不同,其標(biāo)稱額定電壓和額定電流只是參考值;又因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)是以脈沖方式供電,電源電壓是其最高電壓,而不是平均電壓,所以,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以超出其額定值范圍工作。但選擇時(shí)不應(yīng)偏離額定值太遠(yuǎn)。(5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)外表允許的最高溫度:步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁,從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步,因此電

10、機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn);一般來(lái)講,磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上,有的甚至高達(dá)攝氏200度以上,所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。(6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降:當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì);頻率越高,反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下,電機(jī)隨頻率(或速度的增大而相電流減小,從而導(dǎo)致力矩下降。(7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定頻率就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù):空載啟動(dòng)頻率,即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率,如果脈沖頻率高于該值,電機(jī)不能正常啟動(dòng),可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)

11、。在有負(fù)載的情況下,啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng),脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程,即啟動(dòng)頻率較低,然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚佟?8四相混合式步進(jìn)電機(jī)一般由兩相驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng),因此,連接時(shí)可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián)接法將四相電機(jī)接成兩相使用。串聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較低的場(chǎng)合使用,此時(shí)需要的驅(qū)動(dòng)器輸出電流為電機(jī)相電流的0.7倍,因而電機(jī)發(fā)熱小;并聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合使用(又稱高速接法,所需要的驅(qū)動(dòng)器輸出電流為電機(jī)相電流的1.4倍,因而電機(jī)發(fā)熱較大。(9混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的供電電源電壓一般是一個(gè)較寬的范圍(比如IM483的供電電壓為1248VDC,電源電壓通常

12、根據(jù)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來(lái)選擇。如果電機(jī)工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快,那么電壓取值也高,但注意電源電壓的紋波不能超過(guò)驅(qū)動(dòng)器的最大輸入電壓,否則可能損壞驅(qū)動(dòng)器。(10供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的輸出相電流I來(lái)確定。如果采用線性電源,電源電流一般可取I 的1.11.3倍;如果采用開關(guān)電源,電源電流一般可取I 的1.52.0倍。(11當(dāng)脫機(jī)信號(hào)FREE為低電平時(shí),驅(qū)動(dòng)器輸出到電機(jī)的電流被切斷,電機(jī)轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)(脫機(jī)狀態(tài)。在有些自動(dòng)化設(shè)備中,如果在驅(qū)動(dòng)器不斷電的情況下要求直接轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸(手動(dòng)方式,就可以將FREE信號(hào)置低,使電機(jī)脫機(jī),進(jìn)行手動(dòng)操作或調(diào)節(jié)。手動(dòng)完成后,再將FREE信號(hào)置高,以繼續(xù)自

13、動(dòng)控制。(12用簡(jiǎn)單的方法調(diào)整兩相步進(jìn)電機(jī)通電后的轉(zhuǎn)動(dòng)方向,只需將電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器接線的A+和A-(或者B+和B-對(duì)調(diào)即可。10、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的一些特點(diǎn):(1構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的專用集成電路:A 脈沖分配器集成電路:如三洋公司的PMM8713(三/四相、PMM8723 (四相、PMM8714(五相等。B 包含脈沖分配器和電流斬波的控制器集成電路:如SGS公司的L297(四相、L6506(四相等。C 只含功率驅(qū)動(dòng)(或包含電流控制、保護(hù)電路的驅(qū)動(dòng)器集成電路:如日本新電元工業(yè)公司的MTD1110(四相斬波驅(qū)動(dòng)和MTD2001(兩相、H橋、斬波驅(qū)動(dòng)。D 將脈沖分配器、功率驅(qū)動(dòng)、電流控制和保護(hù)電路

14、都包括在內(nèi)的驅(qū)動(dòng)控制器集成電路,如MOTOROLA公司的SAA1042(四相和ALLEGRO公司的UCN5804 (四相等。(2“細(xì)分驅(qū)動(dòng)”概述:概念:將“電機(jī)固有步距角”細(xì)分成若干小步的驅(qū)動(dòng)方法,稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng),細(xì)分是通過(guò)驅(qū)動(dòng)器精確控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相電流實(shí)現(xiàn)的,與電機(jī)本身無(wú)關(guān)。其原理是,讓定子通電相電流并不一次升到位,而斷電相電流并不一次降為0(繞組電流波形不再是近似方波,而是N級(jí)近似階梯波,則定子繞組電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)合力,會(huì)使轉(zhuǎn)子有N個(gè)新的平衡位置(形成N個(gè)步距角。最新技術(shù)發(fā)展:國(guó)內(nèi)外對(duì)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究十分活躍,高性能的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路,可以細(xì)分到上千甚至任意細(xì)分。目前已經(jīng)能夠做到通過(guò)復(fù)雜的計(jì)算使細(xì)分后的步距角均勻一致,大大提高了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分辨率,減小或消除了震蕩、噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng),使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)更具有“類伺服”特性。對(duì)實(shí)際步距角的作用:在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí),用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿足自己對(duì)步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器,則用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù),就可以大幅度改變實(shí)際步距角,步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)對(duì)改變實(shí)際步距角的作用幾乎可以忽略不計(jì)。采用細(xì)分技術(shù)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)精度提高的關(guān)系:步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù),其主要目的是減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng),提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)