步進(jìn)電機(jī)及控制技術(shù)分享20231212董玉超

步進(jìn)電機(jī)及控制技術(shù)分享匯報人：董玉超日期：2023/12/12故障現(xiàn)象原因分析解決方案1目錄/CONTENT23一.理論基礎(chǔ)法拉第電磁感應(yīng)定律：電路中感應(yīng)電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比。這就是法拉第電磁感應(yīng)定律。公式為：E＝-nΔΦ/Δt(n為線圈匝數(shù))。這是法拉第電磁感應(yīng)定律最普遍的表達(dá)式，表明了感應(yīng)電動勢的大小取決于磁通量變化的快慢和線圈匝數(shù)n。楞次定律：閉合回路中感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場與初始磁場的變化相反，電磁感應(yīng)定律中的負(fù)號，其實就是表明感應(yīng)電動勢的方向。步進(jìn)電機(jī)的反電動勢：電機(jī)的反電動勢(BackElectromotiveForce,簡稱EMF)是指在電機(jī)運(yùn)行過程中,由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時,電流通過電機(jī)的線圈,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,線圈中會產(chǎn)生一個磁場。同時,由于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,磁場的變化會導(dǎo)致線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,這個感應(yīng)電動勢就是反電動勢。一.理論基礎(chǔ)

一.理論基礎(chǔ)對于電動機(jī)產(chǎn)品，轉(zhuǎn)子部分產(chǎn)生的反電動勢是電動機(jī)做功的關(guān)鍵要素之一，反電動勢是由于轉(zhuǎn)子部分中的電流和磁場相互作用而產(chǎn)生的，它會抵消輸入的電能，從而限制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。雖然反電動勢消耗了電路中的電能，但并不是一種“損耗”，而是對電能的一種自然反應(yīng)。與反電動勢對應(yīng)的那部分電能實際上是被轉(zhuǎn)化為了用電設(shè)備的能量輸入。這是因為電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是通過轉(zhuǎn)子部分產(chǎn)生的，而這個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動可以用來驅(qū)動其他設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)運(yùn)動最終用功率來表征，所謂的能量守恒。當(dāng)電機(jī)啟動之初，靜態(tài)扭矩最大，由于轉(zhuǎn)速為0，反電動勢也為0。電機(jī)功率除了銅損和鐵損發(fā)熱外都以電機(jī)扭矩的形式轉(zhuǎn)換為有用功。當(dāng)隨著步進(jìn)電機(jī)速度增大，反電動勢也增加，阻礙線圈輸出電流以扭矩形式做功。當(dāng)增大到一定程度，反電動勢最大，繞組線圈電流為0，扭矩降為0。這時能量又達(dá)到一個平衡，除了鐵芯渦流損耗之外，就是反電動勢的能量。一.理論基礎(chǔ)所以電機(jī)的反電動勢大小可以用來表征電機(jī)的實際工作輸出能力和效率。即反電動勢大小可用來表征步進(jìn)電機(jī)靜態(tài)扭矩大小電動機(jī)的感應(yīng)電動勢公式：E=4.44*f*N*Φ（MOONS）E為線圈電動勢、f為頻率、S為環(huán)繞出的導(dǎo)體（例如鐵芯）橫截面積、N為匝數(shù)、Φ是磁通。

磁通量計算公式Φ=B*S*COSθ當(dāng)面積為S的平面與磁場方向垂直時，角θ為0，COSθ就等于1，公式就變成Φ=B*S。

電動機(jī)的輸出功率P=EI=4.44*f*N*Φ*I通過公式可知:匝數(shù)大，磁通大，電感就大，反電動勢大。一.理論基礎(chǔ)定子轉(zhuǎn)子一.電機(jī)發(fā)熱電機(jī)發(fā)熱主要是有轉(zhuǎn)子的鐵損和銅線繞組的銅損（繞組有電阻，通電會產(chǎn)生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比）UL引起，低速300-500RPM主要是銅損，大于500RPM主要是鐵損。在電機(jī)正常工作時，電動機(jī)的反電動勢與輸入電壓之間存在著平衡關(guān)系，即反電動勢等于輸入電壓減去電動機(jī)的電壓降。

電機(jī)分壓公式：U=E+UR+UL

UR=IR

UL=ωLI=2πf×L×I=2πf×Uc×N^2A/Lc×IL=Uc×N^2A/LcL:電感Uc:鐵芯磁導(dǎo)率N：線圈匝數(shù)A：磁路面積LC：磁路長度

通過以上公式可知，電機(jī)發(fā)熱主要跟電流，電壓、匝數(shù)和轉(zhuǎn)速等有關(guān)，低速時如果想降低電機(jī)發(fā)熱可以通過降低電流，匝數(shù)，有時為了保證電機(jī)的輸出扭力不降，所以降低發(fā)熱只能通過降低銅線內(nèi)阻，改善定子鐵芯材料來實現(xiàn)。

高速轉(zhuǎn)矩策略鳴志分壓公式UR可以理解為：實際輸出扭矩功率=實際繞組工作電流I×內(nèi)阻R可以解釋降低匝數(shù)增大電流來提高高速實際輸出扭矩的策略。通過以上分析，也更好理解下面扭矩和反電動勢曲線。

高速轉(zhuǎn)矩策略

高速轉(zhuǎn)矩策略

矩頻曲線從以上兩個圖標(biāo)結(jié)合反電動勢公式、電感公式和分壓公式，為了提高高速轉(zhuǎn)矩，其他參數(shù)不變的情況下，降低電機(jī)電感（匝數(shù)）量，提高實際輸出電流可以提高高速轉(zhuǎn)矩。（注意區(qū)分靜態(tài)扭矩和反電動勢正相關(guān)，但是運(yùn)動扭矩由于電機(jī)線圈銅損、鐵損和電流的原因會有差異，變化趨勢是正相關(guān)的）正常電機(jī)廠家官網(wǎng)會提供速度力矩曲線供選型參考。

轉(zhuǎn)速計算如何根據(jù)項目需求來選定轉(zhuǎn)速呢，下面是計算結(jié)果：

根據(jù)以上圖表計算的所需轉(zhuǎn)速，還要結(jié)合力矩曲線，保證在此轉(zhuǎn)速下輸出力矩足夠，不然會出現(xiàn)打印丟步的現(xiàn)象。同時也可以根據(jù)反電動勢公式要求廠家通過改變電機(jī)繞組匝數(shù)，材質(zhì)，轉(zhuǎn)子及氣隙大小，鐵氧磁芯材質(zhì)等提升整體轉(zhuǎn)矩。

保持力矩測量比如1.8A電機(jī)，同樣的圖紙要求，鳴志通過改善電機(jī)工藝，在較低相電感的情況下可以將保持力矩提高，這樣高速扭矩也會有優(yōu)勢。實際測試結(jié)果鳴志也占優(yōu)。步進(jìn)電機(jī)經(jīng)驗總結(jié)步進(jìn)電機(jī)使用條件600RPM到頂了，再快因為力矩的衰減已沒太大意義。300