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步进电机原理及使用说明
一、前言步进电机是将电脉冲__转变为角位移或线位移的开环控制元件在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲__的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲__,电机则转过一个步距角这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的单步误差和累积误差等特点使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机、交流电机在常规下使用步进电机必须由双环形脉冲__、功率驱动电路等组成控制系统方可使用因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识目前生产步进电机的厂家的确不少,但具有专业技术人员,能够自行__,研制的厂家却非常少,大部分的厂家只
一、__人,连最基本的设备都没有仅仅处于一种盲目的组装仿制阶段这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦鉴于上述情况,我们决定以广泛的感应子式步进电机为例叙述其基本工作原理望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助
二、永磁感应子式步进电机工作原理
(一)反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单下面先叙述三相反应式步进电机原理
1、结构电机转子均匀分布着很多小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开
0、1/3て、2/3て(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示),即A与齿1相对齐,B与齿2向右错开1/3て,C与齿3向右错开2/3て,A与齿5相对齐,(A就是A,齿5就是齿1)下面是定转子的展开图
2、旋转 如A相通电,B,C相不通电时,由于磁场作用,齿1与A对齐,(转子不受任何力以下均同)如B相通电,A,C相不通电时,齿2应与B对齐,此时转子向右移过1/3て,此时齿3与C偏移为1/3て,齿4与A偏移(て-1/3て)=2/3て如C相通电,A,B相不通电,齿3应与C对齐,此时转子又向右移过1/3て,此时齿4与A偏移为1/3て对齐如A相通电,B,C相不通电,齿4与A对齐,转子又向右移过1/3て这样经过A、B、C、A分别通电状态,齿4(即齿1前一齿)移到A相,电机转子向右转过一个齿距,如果不断地按A,B,C,A……通电,电机就每步(每脉冲)1/3て向右旋转如按A,C,B,A……通电,电机就反转由此可见电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系而方向由导电顺序决定不过,出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态,这样将原来每步1/3て改变为1/6て甚至于通过二相电流不同的组合,使其1/3て变为1/12て,1/24て,这就是电机细分驱动的基本理论依据不难推出电机定子上有m相励磁绕阻,其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m2/m……m-1/m1并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机,出于成本等多方面考虑,市场上一般以
二、
三、
四、五相为多
3、力矩 电机一旦通电,在定转子间将产生磁场(磁通量Ф)当转子与定子错开一定角度产生力F与(dФ/dθ)成正比S其磁通量Ф=Br*S Br为磁密,S为导磁__ F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度,D为转子直径 Br=N·I/RN·I为励磁绕阻安匝数(电流乘匝数)R为磁阻力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比(只考虑线性状态)因此,电机有效体积越大,励磁安匝数越大,定转子间气隙越小,电机力矩越大,反之亦然二永磁感应子式步进电机的工作原理下面以
二、四相感应子式步进电机为例子
1、结构电机定子有四个励磁绕阻,转子均匀分布着很多小齿,并加有永磁体使转子轴向分布若干对N-S齿极,且N、S齿极互相错开1/2ττ为相邻两转子齿轴线间的距离,即齿距定转子齿几何轴线依次向左错开
0、1/4τ、2/4τ、3/4τ以下为四相电机定、转子展开后的工作原理图(见图1)
2、四相电机旋转以四相单四拍即A—B—C—D—A通电方式,转子不受外力为例第一拍当A相通正向电流(如图示电流方向),B、C、D相不通电时,有工作原理图可看出,定子A极产生S极磁场,由于磁场作用,转子N1齿将与定子A极轴线与相对齐,而N2齿与B极,N3齿与C极,N4齿与D极,N5齿与A极的轴线以次向右错开1/4τ2/4τ3/4τ1τ(如图1)第二拍当B相通正向电流,A、C、D相不通电时,N2齿将于B极轴线相对齐,此时转子向右转过1/4τ,而N3齿与C极,N4齿与D极,N5齿与A极轴线以次向右错开1/4τ2/4τ3/4τ同理,第三拍C相通正向电流,转子又向右转过1/4τ第四拍D相通正向电流,D与N4相对齐,转子再次向右转过1/4τN5齿与A极轴线向右错开1/4τ当再到A相通正向电流时,N5齿与A极轴线相对齐,至此转子转过一个齿距τ,如果不断地按A-B-C-D-A…通电,电机就按每步(每脉冲)1/4τ向右连续旋转如按A-D-C-B-A……通电,电机则反转如果通的不是正向电流而是反向电流,定子产生的不是S极而是N极,每相通电时对应的S齿与其轴线向对齐,旋转的方向不变
3、二相电机旋转不难发现当A通正向电流时N1齿与A极轴线相对齐,S3齿与C极轴线向对齐,与C相通反相电流的效果一样A相通反向电流和C相通正向电流的效果一样同样B相和D相的关系与A和C的关系一样在A相通正向电流时同时在C相通反向电流,在C相通正向电流时同时在A相通反相电流,在通B、D相电流时也一样这样的通电方式显然比四相单四拍通电时励磁绕组的利用率高,电机产生的力矩大用A表示A相通正相电流,表示A相通反向电流,B表示B相通正向电流,表示B相通反向电流四相单四拍A—B—C—D—A通电方式就可以用A—B———A单四拍的通电方式这种只有A,B二种励磁绕组通电方式称二相驱动,这样的电机称二相电机
4、特点 感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比,结构上转子加有永磁体,以提供软磁材料的工作点,而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能,因此该电机效率高,电流小,发热低因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小 感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机一个四相电机可以作四相运行,也可以作二相运行(必须采用双极电压驱动),而反应式电机则不能如此例如四相,八相运行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=AD=B.一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致(二相电机的绕组见图2),小功率电机一般直接接为二相,而功率大一点的电机,为了方便使用,灵活改变电机的动态特点,往往将其外部接线为八根引线(四相),这样使用时,既可以作四相电机使用,更可以作二相电机绕组串联或并联使用灵活的改变电机的性能
5、分类 感应子式步进电机以相数可分为二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等以机座号(电机外径)可分为42HBHB为感应子式步进电机代号)、57HB、86HB、110HB、(国际标准),而像70HB、90HB、130HB等均为国内标准
6、步进电机的静态指标术语相数产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数常用m表示拍数完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示,或指电机转过一个齿距角所需脉冲数,以四相电机为例,有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角对应一个脉冲__,电机转子转过的角位移用θ表示θ=360度(转子齿数J*运行拍数),以常规
二、四相,转子齿为50齿电机为例四拍运行时步距角为θ=360度/(50*4)=
1.8度(俗称整步),八拍运行时步距角为θ=360度/(50*8)=
0.9度(俗称半步)定位转矩电机在不通电状态下,电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的)静转矩电机在额定静态电作用下,电机不作旋转运动时,电机转轴的锁定力矩此力矩是衡量电机体积(几何尺寸)的标准,与驱动电压及驱动电源等无关 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比,与定齿转子间的气隙有关,但过份采用减小气隙,增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的,这样会造成电机的发热及机械噪音
7、步进电机动态指标及术语
1、步距角精度 单步误差 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差称之为单步误差用百分比表示误差值/步距角*100%不同的细分驱动器和不同的细分数其值不同以SH2046D两细分驱动86HB201为例,精度为5% 测试条件86HB
201、SH2046D、50VAC、4A、2细分、全流、空载 (最大误差为
3.1%) 测试条件86HB
201、SH2046D、50VAC、4A、5细分、全流、空载(最大误差为
12.8%) 测试条件86HB
201、SH2046D、50VAC、4A、20细分、全流、空载(最大误差为-
21.4%)累积误差 步进电机转过的实际角度值与理论值的最大误差称之为累积误差,其值为单步误差值的总和的最大值以具体角度值表示它比单步误差更为重要 测试条件86HB
201、SH2046D、50VAC、4A、2细分、全流、空载 (最大误差为
0.028°,相对于
0.9°为
3.1% 测试条件86HB
201、SH2046D、50VAC、4A、5细分、全流、空载 (最大累积误差角度值为
0.06°,相对步距角为
16.7%) 测试条件86HB
201、SH2046D、50VAC、4A、20细分、全流、空载 (最大累积误差角度值为
0.047°,相对步距角为
52.2%)
2、失步 电机运转时运转的步数,不等于理论上的步数称之为失步
3、失调角 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度,电机运转必存在失调角,由失调角产生的误差,采用细分驱动是不能解决的
4、最大空载起动频率 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下,在不加负载的情况下,能够直接起动的最大频率
5、最大空载的运行频率 电机在某种驱动形式,电压及额定电流下,电机不带负载的最高转速频率
6、运行矩频特性 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性,这是电机诸多动态性能特性曲线中最重要的,也是电机选择的根本依据如下图所示 其它性能特性还有惯频特性、起动频率特性等电机一旦选定,电机的静力矩确定,而动态力矩却不然,电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流(而非静态电流),平均电流越大,电机输出力矩越大,即电机的频率特性越硬如下图所示其中,曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低,曲线与负载的交点为负载的最大速度点要使平均电流大,尽可能提高驱动电压,使采用小电感大电流的电机
7、电机的共振点 步进电机均有固定的共振区域,
二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间(步距角
1.8度)或在400pps左右(步距角为
0.9度),电机驱动电压越高,电机电流越大,负载越轻,电机体积越小,则共振区向上偏移,反之亦然,为使电机输出电矩大,不失步和整个系统的噪音降低,一般工作点均应偏移共振区较多8﹑噪频特性电机在某种测试条件下测得运行中的噪音和频率关系曲线称为噪频特性它和电机驱动器的关系非常大这一品质特性在许多场合非常重要测试条件:SH2046D 50VAC 86HB2014A 两细分
2.8mH环境噪音:50dB
9、温频特性电机在某种测试条件下测得运行中的温升和频率关系曲线称为温频特性低速时主要取决于驱动器电机的温升直接影响使用寿命大功率电机也影响能耗较多测试条件:SH2046D 50VAC 85HBH2014A 两细分
2.8mH环境温度:28摄氏度a、温升与驱动电压的关系测试条件SH2046D86HB201电流4A
2.8mH环境温度28摄氏度电压分别为36VAC 36VDC25VAC 50VAC
10、电机正反转控制当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或AB-AB-AB-AB时为正转,通电时序为DA-CA-BC-AB或AB-AB-AB-AB时为反转
三、驱动控制系统组成使用、控制步进电机必须由环形脉冲,功率放大等组成的控制系统,其方框图如下
1、脉冲__的产生脉冲__一般由单片机或CPU产生,一般脉冲__为方波__如何产生脉冲__的装置及人机界面等辅助部分称之为控制器
2、__分配 我厂生产的感应子式步进电机以
二、四相电机为主,二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种,具体分配如下二相四拍为AB-AB-AB-AB步距角为
1.8度;二相八拍为AB-B-AB-A-AB-B-AB-A-AB步距角为
0.9度四相电机工作方式也有二种,四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB步距角为
1.8度;四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB步距角为
0.9度)
3、功率放大功率放大是驱动系统最为重要的部分步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流(而样本上的电流均为静态电流)平均电流越大电机力矩越大,要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势因而不同的场合采取不同的的驱动方式,到目前为止,驱动方式一般有以下几种恒压、恒流和细分驱动等
4、驱动器为尽量提高电机的动态性能,将__分配、功率放大组成步进电机的驱动电源我厂生产的SH系列二相恒流斩波驱动电源控制器及电机接线图如下说明 CP 接CPU脉冲__(负__,低电平有效) OPTO 接CPU+5V FREE 脱机,与CPU地线相接,驱动电源不工作 DIR 方向控制,与CPU地线相接,电机反转 VCC 直流电源正端 GND 直流电源负端 A 接电机引出线红线 A 接电机引出线绿线 B 接电机引出线黄线 B 接电机引出线蓝线 步进电机一经定型,其性能取决于电机的驱动电源步进电机转速越高,力矩越大则要求电机的电流越大,驱动电源的电压越高电压对力矩影响如下
5、细分驱动器 在步进电机步距角不能满足使用的条件下,可采用细分驱动器来驱动步进电机,细分驱动器的原理是通过改变相邻(A,B)电流的大小,以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的因此电流控制技术是细分驱动器的关键
四、步进电机的应用
(一)步进电机的选择 步进电机有步距角(涉及到相数)、静转矩、及电流三大要素组成一旦三大要素确定,步进电机的型号便确定下来了
1、步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求,将负载的最小分辨率(当量)换算到电机轴上,每个当量电机应走多少角度(包括减速)电机的步距角应等于或小于此角度一般采用二相09度/18度的电机和细分驱动器就可
2、静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定,我们往往先确定电机的静力矩静力矩选择的依据是电机工作的负载,而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的直接起动时(一般由低速)时二种负载均要考虑,加速起动时主要考虑惯性负载,恒速运行只要考虑摩擦负载一般情况下,静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好,静力矩一旦选定,电机的机座及长度便能确定下来(几何尺寸)
3、电流的选择 静力矩一样的电机,由于电流参数不同,其运行特性差别很大,可依据矩频特性曲线图,判断电机的电流(参考驱动电源、及驱动电压)综上所述选择电机一般应遵循以下步骤
4、力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的,一般只用力矩来衡量,力矩与功率换算如下P=ΩMΩ=2πn/60 P=2π__/60其P为功率单位为瓦,Ω为每秒角速度,单位为弧度,n为每分钟转速,M为力矩单位为牛顿米 P=2πfM/400半步工作)其中f为每秒脉冲数(简称PPS二)、应用中的注意点
1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转,(
0.9度时6666PPS,最好在1000-3000PPS
0.9度)间使用,可通过减速装置使其在此间工作,此时电机功率大、效率高
2、步进电机最好不使用整步状态,整步状态时振动大
3、由于历史原因,只有标称为12V电压的电机使用12V外,其他电机的电压值不是驱动电压伏值,可根据驱动器选择驱动电压(建议57HB采用直流24V-36V,86HB采用直流50V110HB采用高于直流80V),当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源,不过要考虑温升
4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机
5、电机在较高速或大惯量负载时,一般不在工作速度起动,而采用逐渐升频提速,一电机不失步,二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度
6、高精度时,应通过机械减速、提高电机速度或采用高细分数的驱动器来解决,也可以采用5相电机,不过其整个系统的__较贵,生产厂家少,其被淘汰的说法是外行话
7、电机不应在振动区内工作,如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决
8、电机在600PPS(
0.9度)以下工作,应采用小电流、大电感、低电压来驱动
9、应遵循先选电机后选驱动的原则 。