博厚電機

步進電機的工作原理              

步進電機是將電脈沖信號轉變?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。 　　二、感應子式步進電機工作原理 　?。ㄒ唬┓磻讲竭M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） 　　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(tài)，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(shù)（脈沖數(shù)）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(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(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，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。 　?。ǘ└袘邮讲竭M電機 　　1、特點： 　　感應子式步進電機與傳統(tǒng)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(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，使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、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(fā)現(xiàn)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(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 　　三、驅動控制系統(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)，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(tǒng)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(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(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 　?。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(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(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（參考驅動電源、及驅動電壓） 　　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(shù)（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)，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動電壓伏值 ，可根據(jù)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(shù)的驅動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產廠家少，其被淘汰的說法是外行話。 　　7、電機不應在振動區(qū)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 　　步進電機14問 　　1.什么是步進電機? 　　步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。 　　2.步進電機分哪幾種? 　　步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應式（VR）和混合式（HB） 　　永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度； 　　反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用為廣泛。 　　3.什么是保持轉矩（HOLDING TORQUE）? 　　保持轉矩（HOLDING TORQUE）是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機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，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機重要的參數(shù)之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進電機。 　　4.什么是DETENT TORQUE? 　　DETENT TORQUE 是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。 　　DETENT TORQUE 在國內沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產生誤解；由于反應式步進電機的轉子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。 　　5.步進電機精度為多少？是否累積? 　　一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。 　　6.步進電機的外表溫度允許達到多少? 　　步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。 　　7.為什么步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降? 　　當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。 　　8.為什么步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲? 　　步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。 　　9.如何克服兩相混合式步進電機在低速運轉時的振動和噪聲? 　　步進電機低速轉動時振動和噪聲大是其固有的缺點，一般可采用以下方案來克服： 　　A.如步進電機正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區(qū)； 　　B.采用帶有細分功能的驅動器，這是常用的、簡便的方法； 　　C.換成步距角更小的步進電機，如三相或五相步進電機； 　　D.換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高； 　　E.在電機軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產品，但機械結構改變較大。 　　10.細分驅動器的細分數(shù)是否能代表精度? 　　步進電機的細分技術實質上是一種電子阻尼技術（請參考有關文獻），其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉精度只是細分技術的一個附帶功能。比如對于步進角為1.8° 的兩相混合式步進電機，如果細分驅動器的細分數(shù)設置為4，那么電機的運轉分辨率為每個脈沖0.45°，電機的精度能否達到或接近0.45°，還取決于細分驅動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅動器精度可能差別很大；細分數(shù)越大精度越難控制。

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