caba步a進電機原理及ff使用說明

1、步進電機原理及使用說明一、前言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(fù)載變化的影響，即給 電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)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(lǐng)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(yīng)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(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。目前，生產(chǎn)步進電

2、機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)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(shè)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(zhuǎn)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 /0.72 ° ,從規(guī)格上分有 口 426130，從靜力矩上分有 0.1N M40N M。簽于上述情況，我們決定以廣泛的感應(yīng)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

3、、使用、及整機改進時有所幫助。二、感應(yīng)子式步進電機工作原理（一）反應(yīng)式步進電機原理由于反應(yīng)式步進電機工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進電機原理。1、結(jié)構(gòu)：電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子齒 軸線錯開。0、1/3 2/3 T,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以7：表示），即A與齒1相對齊，B 與齒2向右錯開1/3 T, C與齒3向右錯開2/3 T , A'與齒5相對齊，（A'就是A,齒5就 是齒1 ）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖：2、旋轉(zhuǎn)：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(zhuǎn)子不受任何力以 下均同）。如B相通電

4、，A, C相不通電時，齒2應(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3 T,此時齒 3與C偏移為1/3 T ,齒4與A偏移（77-1/3 T）=2/3 J如C相通電，A, B相不通電，齒3應(yīng)與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3 T,此時齒4與 A偏移為1/3 7：對齊。如A相通電，B, C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3 T這樣經(jīng)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(zhuǎn)子向右 轉(zhuǎn)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 ,向右旋轉(zhuǎn)。 如按A, C, B, A通電，電機就反轉(zhuǎn)。由此可見：電機的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一

5、一對應(yīng)關(guān)系。而方向由 導(dǎo)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(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3乙改變?yōu)?/6 To甚至于通過二相電流不同的組合，使 其1/3 7：變?yōu)?/12乙1/24 T,這就是電機細(xì)分驅(qū)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(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m（m-1）/m,1 。并且導(dǎo)電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制 這是步進電機旋轉(zhuǎn)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

6、定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量 中）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力F與（d©/d 0 ）成正比,9h其磁通量©=Br*SBr為磁密，S為導(dǎo)磁面積F與L*D*Br成正比L為鐵芯有效長度，D為轉(zhuǎn)子直徑Br=NI/RN - 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(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。（二）感應(yīng)子式步進電機1、特點：感應(yīng)子式步進電機與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進電機相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)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

7、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(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。感應(yīng)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(qū)動），而反應(yīng)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= J.一個二相電機的內(nèi)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

8、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(yīng)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(yīng)子式步進電機代號）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標(biāo)準(zhǔn)），而像 70BYG、90BYG、130BYG 等均為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。3、步進電機的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)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?qū)щ姞顟B(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

9、拍運行 方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用8表示。9 =360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*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9 =360度/（50*4 ） =1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為 9 =360度/ （50*8 ） =0.9度（俗稱半步）。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）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（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，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

10、安匝數(shù)成正比， 與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，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(biāo)及術(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(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)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(xì)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(fù)載的情況下，能夠

11、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(fù)載的最高轉(zhuǎn)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(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)。如下圖所示：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。如下圖所示:其中，曲線3電流最大、 負(fù)載的最大速度點。曲線與負(fù)載的交點為要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電

12、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(yīng)子式步進電機的共振區(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(fù)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(yīng)偏移共振區(qū)較多。8、電機正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA或（一二.二二.匚）時為正轉(zhuǎn)，通電時序為DA-CA-BC-AB或（陽AB-AH 陽）時為反轉(zhuǎn) 三、驅(qū)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)，具方框圖如下:脈沖信

13、號信號分配功率放大步進電機負(fù)載1、脈沖信號的產(chǎn)生。脈沖信號一般由單片機或 CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為 0.3-0.4左右，電機轉(zhuǎn) 速越高，占空比則越大。2、信號分配我廠生產(chǎn)的感應(yīng)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 IM!相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為 ABAEABAB，步距角為1.8度；二相八拍為 ABRABAAB迪AA8 ，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(qū)動系統(tǒng)最為重要的部分。步進

14、電機在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)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(dá) 到平均電流大這就需要驅(qū)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(qū)動 方式，到目前為止，驅(qū)動方式一般有以下幾種：包壓、恒壓用電阻、高低壓驅(qū)動、包流、細(xì) 分?jǐn)?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(qū)動電源。我廠生 產(chǎn)的SH系列二相恒流斬波驅(qū)動電源與單片機及電機接線圖如下：FREE _DIR BVCC GND單片機或打說明：CP 接CPU脈沖信號（負(fù)信號，低電平有效）OPTO 接 CPU+5VFREE 脫機，與CPU地線相接，驅(qū)動電源不工作

15、DIR 方向控制，與CPU地線相接，電機反轉(zhuǎn)VCC 直流電源正端GND 直流電源負(fù)端A 接電機引出線紅線A 接電機引出線綠線B 接電機引出線黃線B 接電機引出線藍(lán)線步進電機一經(jīng)定型，其性能取決于電機的驅(qū)動電源。步進電機轉(zhuǎn)速越高，力距越大則要 求電機的電流越大，驅(qū)動電源的電壓越高。電壓對力矩影響如下：4、細(xì)分驅(qū)動器在步進電機步距角不能滿足使用的條件下，可采用細(xì)分驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機，細(xì)分驅(qū) 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(zhuǎn)的。A相磁場三成磁場夾角B相磁場四、步進電機的應(yīng)用（一）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

16、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(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機軸上， 每個當(dāng)量電機應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機的步距角應(yīng)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(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩 擦負(fù)載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負(fù)載均要考慮，加

17、速起動時主要考慮 慣性負(fù)載，包速運行進只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)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（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓）綜上所述選擇電機一般應(yīng)遵循以下步驟：4、力矩與功率換算步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)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= Q - MQ=2l n/60P=2兀 nM/60其P為功率單位為瓦, 為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位 為牛頓米P=2兀fM/40

18、0（半步工作）其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS）（二）、應(yīng)用中的注意點1、步進電機應(yīng)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(biāo)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：57BY或用直流24V-36V, 86BY或用直 流50V,110BY麗用高于直流80V）,當(dāng)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

19、慮溫升。4、轉(zhuǎn)動慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機座號電機。5、電機在較高速或大慣量負(fù)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(yīng)通過機械減速、提高電機速度，或采用高細(xì)分?jǐn)?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(yīng)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(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū) 動。9、應(yīng)遵循先選電機后選驅(qū)動的原則。五、其他說明有關(guān)低頻振動、升降速、機械共振、工作往復(fù)運動的誤差、平面圓

20、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(shè)計、使用材料及加工工藝方面差別很大，選用步進電機應(yīng)注重可靠 性而輕性能、重品質(zhì)而輕價格。最好采用同一生產(chǎn)廠家的控制器、驅(qū)動器和電機。這樣便于最終客戶的維護。步進電機的基本原理步進電機的基本原理：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(yīng)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(yīng)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)。當(dāng)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

21、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?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量， 從而達(dá)到準(zhǔn)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(dá)到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機， 利用其沒有積累誤差（精度為 100%用特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制?，F(xiàn)在比較常用的步進電機包括 反應(yīng)式步進電機（VR、 永磁式步進電機（PM、混合式步進電機（HB和單相式步進電機 等。永磁式步進電機一般 為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為 7.5度或15度；反應(yīng)式步進電機一般為三相，可 實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進電

22、機的轉(zhuǎn)子磁路 由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。混合式步進電機是指 混合了永磁式和反應(yīng)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(yīng)用最為廣泛，也是本次細(xì)分驅(qū)動方案所選用的步進電機。步進電機的一些基本參數(shù)：步進電機 固有步距角：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號， 電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250即電機給出的值為0.9 0 /1.8 0 （表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.步進電機0 ）,這個步距角可以稱 之為步進電機固有步距角，它不一定是 步進電機實際工作

23、時的真正步距角，真正的步距 角和驅(qū)動器有關(guān)。步進電機的相數(shù)：是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電 機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9° /1.8 °、三相的為0.75 0 /1.5 °、五相的為0.36° /0.72 ° 。在沒有細(xì)分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù) 的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動器，則 步進電機將變得沒有意 義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步

24、進電機最重要的參數(shù)之一， 通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù) 之一。比如，當(dāng)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(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。DETENTORQUE是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENTTORQUEE國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子不是 永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE步進電機的一些特點：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

25、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，從而導(dǎo)致力矩下降乃 至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)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(dá)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(dāng)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(dǎo)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

26、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(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電 機達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)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(yīng)用。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(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)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（及步進角）

27、0您可以 通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)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(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)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(yīng)式（VR）和混合式（HB）永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)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(dá)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(yīng)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(yīng)用最為廣泛。3 .什么是保持轉(zhuǎn)矩（HOLDIN

28、G TORQUE ） ?保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE ）是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的 力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子的力矩。DETENT TORQUE 在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生

29、誤解；由于反應(yīng)式步進電 機的轉(zhuǎn)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(dá)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(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)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(dá)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(zhuǎn)速的升高而下降 ？當(dāng)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

30、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(dǎo)致力矩下降。 8.為什么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(fù)載的情 況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)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）。9 .如何克服兩相混合式步進電機在低速運轉(zhuǎn)時的振動和噪聲？步進電機低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大是其固有的缺點，一般可采用以下方案

31、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(xì)分功能的驅(qū)動器，這是最常用的、最簡便的方法；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(chǎn)品，但機械結(jié)構(gòu)改變較大。10 .細(xì)分驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)是否能代表精度？步進電機的細(xì)分技術(shù)實質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)（請參考有關(guān)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(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)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(xì)分驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為4,那么電機

32、的運轉(zhuǎn)分辨率為每個脈沖0.45° ,電機的精度能否達(dá)到或接近 0.45° ,還取決于細(xì)分驅(qū)動器 的細(xì)分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細(xì)分驅(qū)動器精度可能差別很大；細(xì)分?jǐn)?shù)越大精 度越難控制。11 .四相混合式步進電機與驅(qū)動器的串聯(lián)接法和并聯(lián)接法有什么區(qū)別？四相混合式步進電機一般由兩相驅(qū)動器來驅(qū)動，因此，連接時可以采用串聯(lián)接法或并 聯(lián)接法將四相電機接成兩相使用。串聯(lián)接法一般在電機轉(zhuǎn)速較的場合使用，此時需要的驅(qū)動 器輸出電流為電機相電流的0.7倍，因而電機發(fā)熱?。徊⒙?lián)接法一般在電機轉(zhuǎn)速較高的場合 使用（又稱高速接法），所需要的驅(qū)動器輸出電流為電機相電流的1.4倍，因而電機發(fā)熱較

33、大。12 .如何確定步進電機驅(qū)動器的直流供電電源 ？A.電壓的確定：混合式步進電機驅(qū)動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍（比如 IM483的供電電壓為1248VDC ）,電源電壓通常根據(jù)電機的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。 如果電機工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超 過驅(qū)動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動器。B.電流的確定：供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動器的輸出相電流 I來確定。如果采用線性電 源，電源電流一般可取I的1.11.3倍；如果采用開關(guān)電源，電源電流一般可取I的1.5 , 2.0 倍。13 .混合式步進電機驅(qū)動器的脫機信號 FREE 一般在什么情況下使

34、用？當(dāng)脫機信號FREE為低電平時，驅(qū)動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉(zhuǎn)子處于自由 狀態(tài)（脫機狀態(tài)）。在有些自動化設(shè)備中，如果在驅(qū)動器不斷電的情況下要求直接轉(zhuǎn)動電機 軸（手動方式），就可以將 FREE信號置低，使電機脫機，進行手動操作或調(diào)節(jié)。手動完成 后，再將FREE信號置高，以繼續(xù)自動控制。14 .如果用簡單的方法調(diào)整兩相步進電機通電后的轉(zhuǎn)動方向？只需將電機與驅(qū)動器接線的 A+和A-（或者B+和B-）對調(diào)即可。關(guān)于驅(qū)動器的細(xì)分原理及一些相關(guān)說明（轉(zhuǎn)載）在國外，對于步進系統(tǒng)，主要采用二相混合式步進電機及相應(yīng)的細(xì)分驅(qū)動器。 但在國內(nèi)，廣大用戶對 細(xì)分”還不是特別了解，有的只是認(rèn)為，細(xì)分是為了提高精

35、 度，其實不然，細(xì)分主要是改善電機的運行性能，現(xiàn)說明如下：步進電機的細(xì)分控制是由驅(qū) 動器精確控制步進電機的相電流來實現(xiàn)的，以二相電機為例，假如電機的額定相電流為3A,如果使用常規(guī)驅(qū)動器（如常用的恒流斬波方式）驅(qū)動該電機，電機每運行一步，其繞組內(nèi)的 電流將從0突變?yōu)?A或從3A突變到0,相電流的巨大變化，必然會引起電機運行的振動 和噪音。如果使用細(xì)分驅(qū)動器，在 10細(xì)分的狀態(tài)下驅(qū)動該電機，電機每運行一微步，其繞 組內(nèi)的電流變化只有0.3A而不是3A,且電流是以正弦曲線規(guī)律變化，這樣就大大的改善了 電機的振動和噪音，因此，在性能上的優(yōu)點才是細(xì)分的真正優(yōu)點。由于細(xì)分驅(qū)動器要精確控 制電機的相電流，所

36、以對驅(qū)動器要有相當(dāng)高的技術(shù)要求和工藝要求，成本亦會較高。注意， 國內(nèi)有一些驅(qū)動器采用 平滑”來取代細(xì)分，有的亦稱為細(xì)分，但這不是真正的細(xì)分，望廣大 用戶一定要分清兩者的本質(zhì)不同：1 .平滑”并不精確控制電機的相電流，只是把電流的變化率變緩一些，所以 平 滑”并不產(chǎn)生微步，而細(xì)分的微步是可以用來精確定位的。2 .電機的相電流被平滑后，會引起電機力矩的下降，而細(xì)分控制不但不會引起電機力矩 的下降，相反，力矩會有所增加。步進電機多級細(xì)分驅(qū)動方法研究步進電機作為電磁機械裝置，具進給的分辨率取決于細(xì)分驅(qū)動技術(shù)。采用軟件細(xì)分驅(qū)動 方式，由于編程的靈活性、通用性，使得步進細(xì)分驅(qū)動的成本低、效率高，要修改方案

37、也易 辦到。同時，還可解決步進電機在低速時易出現(xiàn)的低頻振動和運行中的噪聲等。但單一的軟 件細(xì)分驅(qū)動在精度與速度兼顧上會有矛盾，細(xì)分的步數(shù)越多，精度越高，但步進電機的轉(zhuǎn)動 速度卻降低；要提高轉(zhuǎn)動速度，細(xì)分的步數(shù)就得減少。為此，設(shè)計了多級細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)，通 過不同的細(xì)分檔位設(shè)定，實現(xiàn)不同步數(shù)的細(xì)分，同時保證了不同的轉(zhuǎn)動速度。1細(xì)分驅(qū)動原理步進電機控制中已蘊含了細(xì)分的機理。如三相步進電機按ZEf C,的順序輪流通電，步進電機為整步工作。而按 KA8gCEr>B- BZA,的順序通電，則步進電機為半步工作。以為例，若將各相電流看作是向量，則從整步到半步的變換，就是在 IA與舊之間插入 過渡向量IA

38、B,因為電流向量的合成方向決定了步進電機合成磁勢的方向，而合成磁勢的轉(zhuǎn) 動角度本身就是步進電機的步進角度。顯然，I AB的插入改變了合成磁勢的轉(zhuǎn)動大小，使得 步進電機的步進角度由8 b變?yōu)?.5 8 b,從而也就實現(xiàn)了 2步細(xì)分。由此可見，步進電機 的細(xì)分原理就是通過等角度有規(guī)律的插入電流合成向量，從而減小合成磁勢轉(zhuǎn)動角度，達(dá)到 步進電機細(xì)分控制的目的。如圖1所示，在三相步進電機的A相與B相之間插入合成向量AB,則實現(xiàn)了 2步細(xì)分。要再 實現(xiàn)4步細(xì)分，只需在A與AB之間插入3個向量II、12、I3 ,使得合成磁勢的轉(zhuǎn)動角度 8 1 = 8 2=9 3=8 4,就實現(xiàn)了 4步細(xì)分。但4步細(xì)分與2

39、步細(xì)分是不同的，由于II、I2、I3 3 個向量的插入是對電流向量 舊的分解，故控制脈沖已變成了階梯波。細(xì)分程度越高，階梯波 越復(fù)雜。圖1步進細(xì)分原理在三相步進電機整步工作時，實現(xiàn) 2步細(xì)分合成磁勢轉(zhuǎn)動過程為IA-IAB-IB;實現(xiàn)4步細(xì) 分轉(zhuǎn)動過程為IA-I2-IAB,;而實現(xiàn) 8步細(xì)分則轉(zhuǎn)動過程為IA-11 -12-13-IAB,。 可見，選擇不同的細(xì)分步數(shù)，就要插入不同的電流合成向量。2多級細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)的實現(xiàn)2.1 系統(tǒng)組成如圖2所示，系統(tǒng)由主機、鍵盤輸入系統(tǒng)、步進顯示系統(tǒng)、步進控制系統(tǒng)組成。主機采用AT89C51 單片機，其為低功耗的8位單片機，片內(nèi)有一個4K字節(jié)的Flash可編程、可

40、擦除、只讀存儲 器，故可簡化系統(tǒng)構(gòu)成，且可滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲空間的要求。主機接收用行口送來的步進 控制數(shù)據(jù)，并對其進行處理，以實施步進控制。鍵盤輸入系統(tǒng)是用來輸入控制所需的細(xì)分檔 位。系統(tǒng)設(shè)計時，考慮到隨著細(xì)分的精確化，如128步細(xì)分時，步距角達(dá)到足夠小，能滿足各種步進要求，故以2的整數(shù)次幕作為細(xì)分基準(zhǔn)。步進顯示系統(tǒng)由液晶顯示器顯示當(dāng)前細(xì)分 檔位和細(xì)分后的步進角等參數(shù)。為了減少電路的復(fù)雜性，該顯示器顯示的最小單位規(guī)定為0.01 °。步進控制系統(tǒng)由D/A轉(zhuǎn)換部分和驅(qū)動系統(tǒng)組成。D/A轉(zhuǎn)換部分包括3片DAC0830ft 成芯片和數(shù)據(jù)鎖存系統(tǒng)。DAC0830專換分期率是8位，該芯片具有與微

41、處理器兼容、價格低 廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點。D/A轉(zhuǎn)換部分的功能是將二進制代碼表示的階梯波數(shù)值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流值輸出，經(jīng)驅(qū)動系統(tǒng)放大，控制步進電機轉(zhuǎn)動。驅(qū)動系統(tǒng)采用三級管實 現(xiàn)電流放大。圖2多級細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)組成2.2 細(xì)分階梯波的產(chǎn)生細(xì)分的實現(xiàn)過程，就是插入電流合成向量和轉(zhuǎn)換電流合成向量的過程。電流合成向量轉(zhuǎn)化的 前提是合成向量的插入。在系統(tǒng)中，由主機根據(jù)設(shè)定的細(xì)分檔位，計算出相關(guān)參數(shù)，經(jīng)查表 生成相對應(yīng)的階梯波，即插入了電流合成向量。在正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的控制信號下，階梯波脈沖由 輸出端口經(jīng)鎖存系統(tǒng)送入 D/A轉(zhuǎn)換器件DAC0830s行電流合成向量的轉(zhuǎn)化，輸出對應(yīng)的電流 值，經(jīng)驅(qū)動放大控制步進電機