步進電機原理 -工程

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    一、前言

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,

步進電機原理

。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。    雖然步進電機已被廣泛地應用,但步進電機并不能象普通的直流電機,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。    目前,生產(chǎn)步進電機的廠家的確不少,但具有專業(yè)技術人員,能夠自行開發(fā),研制的廠家卻非常少,大部分的廠家只一、二十人,連最基本的設備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。  步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓位移的一種開環(huán)線性執(zhí)行元件,具有無累積誤差、成本低、控制簡單特點。產(chǎn)品從相數(shù)上分有二、三、四、五相,從步距角上分有0.9°/1.8°、0.36°/0.72°,從規(guī)格上分有口42~φ130,從靜力矩上分有0.1N·M~40N·M。簽于上述情況,我們決定以廣泛的感應子式步進電機為例。敘述其基本工作原理。望能對廣大用戶在選型、使用、及整機改進時有所幫助。二、感應子式步進電機工作原理(一)反應式步進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)下面是定轉子的展開圖:

    一、前言

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。    雖然步進電機已被廣泛地應用,但步進電機并不能象普通的直流電機,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。    目前,生產(chǎn)步進電機的廠家的確不少,但具有專業(yè)技術人員,能夠自行開發(fā),研制的廠家卻非常少,大部分的廠家只一、二十人,連最基本的設備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。  步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓位移的一種開環(huán)線性執(zhí)行元件,具有無累積誤差、成本低、控制簡單特點。產(chǎn)品從相數(shù)上分有二、三、四、五相,從步距角上分有0.9°/1.8°、0.36°/0.72°,從規(guī)格上分有口42~φ130,從靜力矩上分有0.1N·M~40N·M。簽于上述情況,我們決定以廣泛的感應子式步進電機為例。敘述其基本工作原理。望能對廣大用戶在選型、使用、及整機改進時有所幫助。二、感應子式步進電機工作原理(一)反應式步進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)下面是定轉子的展開圖:     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等均為國內標準,

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步進電機原理》(http://m.clearvueentertainment.com)。3、步進電機的靜態(tài)指標術語相數(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。拍數(shù):完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或導電狀態(tài)用n表示,或指電機轉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.步距角:對應一個脈沖信號,電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度(轉子齒數(shù)J*運行拍數(shù)),以常規(guī)二、四相,轉子齒為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)。定位轉矩:電機在不通電狀態(tài)下,電機轉子自身的鎖定力矩(由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的)靜轉矩:電機在額定靜態(tài)電作用下,電機不作旋轉運動時,電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積(幾何尺寸)的標準,與驅動電壓及驅動電源等無關。     雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比,與定齒轉子間的氣隙有關,但過份采用減小氣隙,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。4、步進電機動態(tài)指標及術語:1、步距角精度:     步進電機每轉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,八拍運行時應在15%以內。2、失步:     電機運轉時運轉的步數(shù),不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。3、失調角:     轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度,電機運轉必存在失調角,由失調角產(chǎn)生的誤差,采用細分驅動是不能解決的。4、最大空載起動頻率:     電機在某種驅動形式、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:     電機在某種驅動形式,電壓及額定電流下,電機不帶負載的最高轉速頻率。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)。如下圖所示:3、功率放大     功率放大是驅動系統(tǒng)最為重要的部分。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(chǎn)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:     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(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、應遵循先選電機后選驅動的原則。五、其他說明    有關低頻振動、升降速、機械共振、工作往復運動的誤差、平面圓弧X、Y插補誤差以及其他問題。具體解決辦法恕不便在此敘述,我廠用戶可來電咨詢,可根據(jù)具體情況解決。    不同廠家的電機在設計、使用材料及加工工藝方面差別很大,選用步進電機應注重可靠性而輕性能、重品質而輕價格。    最好采用同一生產(chǎn)廠家的控制器、驅動器和電機。這樣便于最終客戶的維護。