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發(fā)表于 2013-2-5 08:44:10
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步進電機
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步進電機
步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓�位移的開環(huán)控制元步進電機件,。在非超載的情況下,，電機的轉(zhuǎn)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,，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”,，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的,。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,；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的,。
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目錄
基本介紹
主要分類
選擇方法
基本原理
1. 工作原理
2. 發(fā)熱原理
主要構(gòu)造
指標術(shù)語
1. 靜態(tài)指標術(shù)語
2. 動態(tài)指標術(shù)語
特點特性
1. 主要特點
2. 主要特性
測速方法
優(yōu)勢及缺陷
1. 優(yōu)點
2. 缺陷
驅(qū)動方法
驅(qū)動要求
主要應用
1. 步進電機的選擇
2. 應用中的注意點
展開
基本介紹
主要分類
選擇方法
基本原理
1. 工作原理
2. 發(fā)熱原理
主要構(gòu)造
指標術(shù)語
1. 靜態(tài)指標術(shù)語
2. 動態(tài)指標術(shù)語
特點特性
1. 主要特點
2. 主要特性
測速方法
優(yōu)勢及缺陷
1. 優(yōu)點
2. 缺陷
驅(qū)動方法
驅(qū)動要求
主要應用
1. 步進電機的選擇
2. 應用中的注意點
展開
編輯本段基本介紹
步進電機是一種感應電機,，它的工作原理是利用電子電路，
步進電機（圖1）
將直流電變成分時供電的,，多相時序控制電流,，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作,，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的,，多相時序控制器
雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能像普通的直流電機,，交流電機在常規(guī)下使用,。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用,。因此用好步進電機卻非易事,，它涉及到機械、電機,、電子及計算機等許多專業(yè)知識,。[1]
步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中,。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展,，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應用,。
步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu),。通俗一點講：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進角）,�,？梢酝ㄟ^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,；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度,，從而達到調(diào)速的目的。
編輯本段主要分類
步進電機在構(gòu)造上有三種主要類型：
步進電機（圖2）
反應式（Variable Reluctance,，VR）,、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式（Hybrid Stepping,HS）,。
反應式：定子上有繞組、轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成,。結(jié)構(gòu)簡單,、成本低、步距角小,，可達1.2°,、但動態(tài)性能差、效率低,、發(fā)熱大,，可靠性難保證。
永磁式：永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成,，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同,。其特點是動態(tài)性能好、輸出力矩大,，但這種電機精度差,，步矩角大（一般為7.5°或15°）。
混合式：混合式步進電機綜合了反應式和永磁式的優(yōu)點,，其定子上有多相繞組、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料,，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度,。其特點是輸出力矩大、動態(tài)性能好,，步距角小,，但結(jié)構(gòu)復雜、成本相對較高,。
按定子上繞組來分,，共有二相、三相和五相等系列,。最受歡迎的是兩相混合式步進電機,，約占97%以上的市場份額，其原因是性價比高,，配上細分驅(qū)動器后效果良好,。該種電機的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅(qū)動器后,，步距角減少為0.9°,，配上細分驅(qū)動器后其步距角可細分達256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因,，實際控制精度略低,。同一步進電機可配不同細分的驅(qū)動器以改變精度和效果。[2]
編輯本段選擇方法
步進電機和驅(qū)動器的選擇方法：
判斷需多大力矩：靜扭矩是選擇步
步進電機（圖3）
進電機的主要參數(shù)之一。負載大時,，需采用大力矩電機,。力矩指標大時，電機外形也大,。
判斷電機運轉(zhuǎn)速度：轉(zhuǎn)速要求高時,，應選相電流較大、電感較小的電機,，以增加功率輸入,。且在選擇驅(qū)動器時采用較高供電電壓。
選擇電機的安裝規(guī)格：如57,，86,，110等，主要與力矩要求有關(guān),。
確定定位精度和振動方面的要求情況：判斷是否需細分,，需多少細分。
根據(jù)電機的電流,、細分和供電電壓選擇驅(qū)動器,。[2]
編輯本段基本原理
工作原理
通常電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，當電流流過定子繞組時,，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場,。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致,。當定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度,。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖,，電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進一步,。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比,。改變繞組通電的順序,，電機就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量,、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉(zhuǎn)動,。
發(fā)熱原理
通常見到的各類電機，內(nèi)部都是有鐵芯和繞組線圈的,。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,，這就是我們常說的銅損,，如果電流不是標準的直流或正弦波,，還會產(chǎn)生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應,，在交變磁場中也會產(chǎn)生損耗,，其大小與材料，電流,，頻率,，電壓有關(guān)，這叫鐵損,。銅損和鐵損都會以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來,，從而影響電機的效率。步進電機一般追求定位精度和力矩輸出,，效率比較低,，電流一般比較大，且諧波成分高,，電流交變的頻率也隨轉(zhuǎn)速而變化,，因而步進電機普遍存在發(fā)熱情況，且情況比一般交流電機嚴重,。[3]
編輯本段主要構(gòu)造
步進電機也叫步進器,，它利用電磁學原理，將電能轉(zhuǎn)換為機械能,，
步進電機（圖4）
人們早在20世紀20年代就開始使用這種電機,。隨著嵌入式系統(tǒng)(例如打印機、磁盤驅(qū)動器,、玩具、雨刷,、震動尋呼機,、機械手臂和錄像機等)的日益流行，步進電機的使用也開始暴增,。不論在工業(yè),、軍事、醫(yī)療,、汽車還是娛樂業(yè)中,，只要需要把某件物體從一個位置移動到另一個位置，步進電機就一定能派上用場,。步進電機有許多種形狀和尺寸,，但不論形狀和尺寸如何，它們都可以歸為兩類：可變磁阻步進電機和永磁步進電機,。
步進電機是由一組纏繞在電機固定部件--定子齒槽上的線圈驅(qū)動的,。通常情況下,，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機中,，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組,、線圈、或相,。[4]
編輯本段指標術(shù)語
靜態(tài)指標術(shù)語
1,、相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù),。常用m表示,。
2、拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或
步進電機（圖5）
導電狀態(tài)用n表示,，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù),，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB,，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A,。
3、步距角：對應一個脈沖信號,，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示,。θ=360度/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)*運行拍數(shù)），以常規(guī)二,、四相,，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步）,，八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）,。
4、定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下,，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）,。
5、靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下,，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時,，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積的標準,，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān),。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān),，但過分采用減小氣隙,，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音,。[5]
動態(tài)指標術(shù)語
1,、步距角精度：步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差,。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同,，四拍運行時應在5%之內(nèi),，
步進電機（圖6）
八拍運行時應在15%以內(nèi)。
2,、失步：電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù),，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步,。
3,、失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角,，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差,，采用細分驅(qū)動是不能解決的。
4,、最大空載起動頻率：電機在某種驅(qū)動形式,、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下,，能夠直接起動的最大頻率,。
5、最大空載的運行頻率：電機在某種驅(qū)動形式,，電壓及額定電流下,，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。[5]
6,、運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性,，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù),。
步進電機（圖7）
其它特性還有慣頻特性,、起動頻率特性等。 電機一旦選定,，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然,，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流）,，平均電流越大，電機輸出力矩越大,，即電機的頻率特性越硬,。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓,，采用小電感大電流的電機,。
7,、電機的共振點：步進電機均有固定的共振區(qū)域，二,、四相感應子式的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度）,，電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大,，負載越輕,，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移,，反之亦然,，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低,，一般工作點均應偏移共振區(qū)較多,。
8、電機正反轉(zhuǎn)控制：當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA或()時為正轉(zhuǎn),，通電時序為DA-CD-BC-AB或()時為反轉(zhuǎn),。
編輯本段特點特性
主要特點
1、一般步進電機的精度為步進角的3-5%,，且不累積,。
2、步進電機外表允許的最高溫度,。
步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁,，
步進電機（圖8）
從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最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,。
3、步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降,。
當步進電機轉(zhuǎn)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,。
4、步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),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(shù)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(zhuǎn),。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(zhuǎn)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(zhuǎn)速從低速升到高速）,。
步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途,。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高,，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應用�,！�
主要特性
1,、步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)，驅(qū)動信號必須為脈沖信號,，
步進電機（圖9）
沒有脈沖的時候,，步進電機靜止，如果加入適當?shù)拿}沖信號,，就會以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動,。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。
2,、三相步進電機的步進角度為7.5度,，一圈360度，需要48個脈沖完成,。
3,、步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。
4,、改變脈沖的順序,，可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。
因此,，打印機,、繪圖儀、機器人等設(shè)備都以步進電機為動力核心,。
編輯本段測速方法
步進電機是將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角
步進電機（圖10）
位移或線位移,。
一是過載性好,。其轉(zhuǎn)速不受負載大小的影響,，不像普通電機,，當負載加大時就會出現(xiàn)速度下降的情況，步進電機使用時對速度和位置都有嚴格要求,。
二是控制方便,。步進電機是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的，數(shù)字特征比較明顯,。
三是整機結(jié)構(gòu)簡單,。傳統(tǒng)的機械速度和位置控制結(jié)構(gòu)比較復雜，調(diào)整困難,，使用步進電機后,，使得整機的結(jié)構(gòu)變得簡單和緊湊。測速電機是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓,，并傳遞到輸入端作為反饋信號,。測速電機為一種輔助型電機，在普通直流電機的尾端安裝測速電機,，通過測速電機所產(chǎn)生的電壓反饋給直流電源,，來達到控制直流電機轉(zhuǎn)速的目的。
編輯本段優(yōu)勢及缺陷
優(yōu)點
1,、電機旋轉(zhuǎn)的角度正
步進電機（圖11）
比于脈沖數(shù),；
2、電機停轉(zhuǎn)的時候具有最大的轉(zhuǎn)矩（當繞組激磁時）,；
3,、由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重復性,；
4,、優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應；
5,、由于沒有電刷,，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命,；
6,、電機的響應僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制,，這使得電機的結(jié)構(gòu)可以比較簡單而且控制成本,；
7、僅僅將負載直接連接到電機的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn),；
8,、由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍�,！�
缺陷
1,、如果控制不當容易產(chǎn)生共振；
2,、難以運轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速,；
3、難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩,；
4,、在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低,；
5,、超過負載時會破壞同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲,。
編輯本段驅(qū)動方法
步進電機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作,，而必須使用專用的步進電動機驅(qū)動器，它由脈沖發(fā)生控制單元,、功率驅(qū)動單元,、保護單元等組成。驅(qū)動單元與步進電動機直接耦合,，也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口,。
編輯本段驅(qū)動要求
1、能夠提供較快的電流上升和下降速度,，
步進電機（圖12）
使電流波形盡量接近矩形,。
具有供截止期間釋放電流流通的回路，以降低繞組兩端的反電動勢,，加快電流衰減,。
2、具有較高韻功率及效率,。
步進電機驅(qū)動器,，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進電機的角位移，或者說：控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號,，通過驅(qū)動器就使步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角,。也就是說步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。所以控制步進脈沖信號的頻率,，就可以對電機精確調(diào)速,；控制步進脈沖的個數(shù)，就可以對電機精確定位,。步進電機驅(qū)動器有很多,，應以實際的功率要求合理的選擇驅(qū)動器,。
編輯本段主要應用
步進電機的選擇
步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩,、及電流三大要素組成,。
步進電機（圖13）
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,，將負載的最小分辨率（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,。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(nèi)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。[6]
應用中的注意點
1,、步進電機應用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn),，（0.9度時6666PPS)，最好在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,、步進電機最好不使用整步狀態(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(qū)動電壓伏值 ,，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)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(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源,， 不過要考慮溫升,；
4、轉(zhuǎn)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(qū)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(chǎn)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(nèi)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(qū)動；
9,、應遵循先選電機后選驅(qū)動的原則,。[6]
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