步進電機培訓教材

步進電動機簡介、步進電動機概述1.1步進電機特點步進電動機（steppingmotor）也稱脈沖電動機、脈動電動機、分級電動機；更老一些叫法也叫階動電動機。這種電動機以規(guī)定的次序對定子線圈勵磁，每次只轉動一定的角度.這種電動機主要特點如下：（1） 控制電路步進電動機的驅動控制電路是將脈沖分配到各相線圈中去的邏輯分配電路，或者是對線圈提供勵磁的驅動開關電路.這種電路同其他伺服控制電路相比較是很簡單.（2） 對數控機器的適應性步進電動機很容易同應用微機的設備組合起來，優(yōu)點是對旋轉角度、速度、正反轉;啟動停止等動作的控制準確、迅速。（3） 定位控制直流電動機等伺服電動機進行定位控制時，使轉子保持在某一角度，一定要不間斷通電，以達到制動作用.而步進電機只要維持勵磁就能得到保持轉矩。永磁型、混合型步進電動機即使切斷勵磁也能得到定位轉矩;因此，用步進電動機實現準確的定位控制既簡單、成本又低.（4） 步距角誤差步進電動機的角度誤差通常是基本步距角的5%左右，因此輸入脈沖沒有積累誤差，所以定位精度很高。（5） 低轉速、高轉矩步進電動機與其他類似電動機比較，是屬于低速、高轉矩電動機。其他伺服電動機的工作轉速在1000rpm以上，而以每秒1000個脈沖的速度來驅動1.8°的步進電動機時轉速只有300rpm，以它是屬于低轉速、高轉矩的電動機。（6） 速度可變控制步進電機的旋轉角度同輸入脈沖成正比,旋轉速度同輸入的脈沖（頻率）成正比，只要簡單的改變脈沖速率，就能達到大幅度控制速度變化的目的.（7） 可靠性高步進電機除了軸承以外沒有電刷、換向器等磨損部分，無須特殊的維修保養(yǎng)是可靠性高壽命長的電動機。（8） 穩(wěn)定性差步進電動機的驅動轉矩隨著轉子旋轉的位置而變化，而每次勵磁都會引起轉矩的波動，所以速率的波動比較大。另外電動機的轉矩和慣量決定著電動機固有的頻率和驅動脈沖速率同步進電動機安裝的固有的振動之間引起共振，而產生共振噪音，這是一大缺點。2.2步進電動機的歷史進入20世紀有關步進電動機的發(fā)明不斷出現。最初美國的AndrewTMacCoy發(fā)明了電動打字機用的步進電動機，這是一種帶逆轉輪的結構的永磁步進電動機，步距角為30°。這種電動機獲得了1907年美國專利。1923年蘇格蘭的JamesWeirFrench發(fā)明了VR三相步進電動機。2。3步進電動機的分類根據步進電動機的結構可以分為三大類：（1）磁阻式步進電動機（Variable reluctancetype）（反應式）（2） 永磁式步進電動機（permanentmagnettype）（3） 混合式步進電動機（hybridtype）（感應子式）1。 磁阻式步進電機，這種步進電機磁阻是可變的，也稱VR型步進電機.追溯歷史在19世紀中期，這種步進電機的結構是最基礎的。定子和轉子上配置有一定間距的突極，當對線圈勵磁時，定子和轉子的突極相互吸引成直線狀，利用這一原理獲得步進式轉矩.每一相突極分別錯開一定的軸相角度重疊排列。永磁式步進電機，也稱PM步進電機，轉子采用永磁磁鋼。這種步進電機定子采用沖壓方式加工成爪型齒極,轉子采用徑向多極充磁的永磁磁鋼。這種電動機成本低廉?；旌鲜讲竭M電機，也稱BH型，是VR型和PM型的結合形式。它在VR型電動機的轉子或者定子上配置永磁磁鋼，由于氣隙部分偏置（梢加正電壓或負電壓）磁場，所以輸出軸轉矩上升，提高效率。2。4步進電機的應用應用領域：計算機外部設備、攝影系統(tǒng)、觀點組合裝置、閥門控制、數控機床、自動繞線機、醫(yī)療設備、電子鐘表、自動繡花機、辦公自動化、家電行業(yè).二、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、1/3j2/3^，（相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以^表示），即A與齒1相對齊,B與齒2向右錯開1/3j，C與齒3向右錯開2/3j,A’與齒5相對齊，（入’就是A，齒5就是齒1）下面是定轉子的展開圖：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1/3j，此時齒3與C偏移為1/3j，齒4與A偏移（j-1/3j）=2/3j。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1/3j，此時齒4與A偏移為1/3j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1/3j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）1/3j，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（脈沖數）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1/3j改變?yōu)?/6j。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3j變?yōu)?/12j，1/24j，這就是電機細分驅動的基本理論依據。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①）當轉子與定子錯開一定角度產生力F與（d①/d。）成正比其磁通量①=Br*SBr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/RN.I為勵磁繞阻安匝數（電流乘匝數）R為磁阻。力矩=力*半徑力矩與電機有效體積大安匝數*磁密成正比（只考慮線性狀態(tài)）因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。三、永磁式步進電機機構及工作原理（爪極型）1。 結構永磁爪極步進電機的典型結構如圖1所示。整個電動機定轉子的軸向均分為兩段，中間由隔磁片隔開，兩段互相間叉開一個步距角，每均由定子，轉子以及套在定子的一個環(huán)形繞組所組成。每段定子內孔圓周上的極片呈爪形作環(huán)形對稱排列,外面并繞兩套反向串聯的環(huán)形繞組，定子兩段環(huán)形磁鋼同向同軸聯結徑向充磁。工作原理設上段兩反向繞組分別為A,A-兩相，其中下段兩反向繞組分別為B，B-兩相，當在AO和BO兩相繞組通電時，同一段內相領極片呈相反極性，轉子在定子極片處于圖2（a）所示的平衡位置.當把A，B相通電轉換成AO,B—O兩相通電后，這是B段定子極片極性全部反向。轉子將向左移動一步，如圖2（b）所示。如果繼續(xù)改變通電狀態(tài)，即由AB-AB-—A-B--AB轉子就會步進旋轉，若改變通電順序AB-A-B—A-B--AB則電機反向旋轉。三、步進電機的特性1、靜態(tài)轉矩特性（a）保持轉矩（holdingtorque）是指步進電機在勵磁狀態(tài)，用外力旋轉輸出軸時,抗拒外力所產生的最大轉矩。保持轉矩也叫最大靜止轉矩、最大保持轉矩、堵轉轉矩。保持轉矩大小隨勵磁電流的大小、勵磁方式不同而不同。同一電動機二相勵磁比起一相勵磁通常保持轉矩大1。4倍.(b)自定位轉矩：在電動機中使用永磁的PM型步進電機、HB型步進電機，即使沒有勵磁電流，由于磁鋼所產生的磁場也會有持續(xù)作用于轉子的轉矩使之處于一個穩(wěn)定平衡狀態(tài)。在這沒有勵磁狀態(tài)下，從外部對輸出軸施加轉矩時，而產生的最大值稱為自定位轉矩(detenttorque)。自定位轉矩也稱為無勵磁保持轉矩或剩余轉矩(residualtorque)。2、動態(tài)轉矩特性(dynamictorquecharacters)牽入轉矩特性所謂牽入轉矩(pull-in—torquecharacteristics)就是一種負載轉矩，具體做法是用在直接連接在輸出軸的滑輪上垂吊砝碼的方法對軸加上負載，再交替任意加上驅動脈沖、停止，使電動機一會兒啟動，一會兒停止，這時電動機不得不有誤動所測得的臨界轉矩。換而言之如果增加了所吊砝碼的重量，就要引起電動機誤轉動，這時求得的臨界轉矩；表示驅動脈沖同臨界轉矩之間關系的這種特性稱牽入轉矩.在空載狀態(tài)下，究竟多快的脈沖速率電動機就不能啟動了，這種臨界速度稱最大自啟動頻率(maxstartingfrequency)o步進電機運轉速度大多用脈沖速度表示，具體就是用在單位時間內施加的脈沖數(PPS)表示。(b)牽出轉矩特性牽出轉矩特性(pull—out-torquecharacteristics)也叫牽出(pullin)特性、轉換(slewing)特性。具體就是首先以一定負載使電動機自啟動，然后逐步提高輸入到電動機的脈沖速率，當脈沖速率提高到某一速率時就會引起電動機誤動或者停轉，牽出轉矩特性就是表示這一臨界脈沖和負載轉矩之間的關系的特性.當空載時，脈沖速度超過此頻率電動機就不能響應，稱這一脈沖速率為最大響應頻率(maxresponsefrequency)要求牽出轉矩曲線時，先使電機啟動，保持一定的輸入脈沖速度不變逐漸增加負載轉矩直到電機停止轉動，這時求得臨界轉矩值，可以得到同樣的特性曲線稱這一曲線上的轉矩為牽出轉矩，這一值肯定比牽入轉矩高.稱牽出轉矩和牽入轉矩之間的范圍為工作區(qū)域，在這一區(qū)域內運轉時必須注意當改變脈沖速率時,不會因誤步進或共振而引起失步.3、 矩頻特性圖3(矩頻曲線)4、 響應特性步進電機運轉時，只要看一看旋轉角度(rad)、旋轉角速度(rad/s)隨時間的推移是如何變化的，就明白轉子是一邊振動一邊旋轉的，停止時是先過沖后再一邊作衰減振動一邊停下來。稱表示這種旋轉震蕩過程的特性為響應特性,其中只輸入一個脈沖時旋轉震蕩結果的特性叫單步響應特性，輸入連續(xù)脈沖時的響應特性稱為連續(xù)響應特性。這種響應特性也叫動特性，為了防止共振、振動應采取最合適的運轉方式，這是十分重要的特性.(a)步響應特性，圖三所示是靜態(tài)轉矩和單步響應的關系當輸入一次脈沖轉子向目標平衡點(A)，當到達A點時由于轉子慣量不能馬上停止，而要略轉過頭。連續(xù)響應特性步進電機應隨脈沖信號旋轉，應根據輸入的脈沖速率按比例變化旋轉但是由于轉子、負載的慣量，轉子的實際動作總要比脈沖速率早一點或遲一點，有時跟不上脈沖信號的變化會失步.5、共振特性步進電機每輸入一次脈沖目標穩(wěn)定點就會更換，不斷的產生新的轉矩，一邊牽引著負載轉矩一邊持續(xù)旋轉。當接近目標位置，產生的轉矩也變小，然后又有新的脈沖輸入，轉子按照轉換成的大轉矩加速。這種振動周期同輸入脈沖的周期同步就會發(fā)生共振，這是步進電機的缺點.步進電機的共振頻率如果只有電動機的固有振動頻率的數倍數，在50?300PPS左右產生共振，稱低頻共振;如接近電動機的電氣常數的1000PPS左右的工作區(qū)域產生共振，稱中頻共振；再往上的高速范圍發(fā)生共振稱高頻共振。6、角度精度特性特別對于用作定位控制的步進電機，角度精度是個十分重要的特性，因為這一精度直接影響到裝置本身的性能，可以用這一精度來判定裝置是否合格。靜態(tài)角度精度(Positionalaccuracy)也叫作靜止位置精度，理論上是用偏離靜止位置的誤差來表示的。具體做法是在電機的輸出軸上加一個對于評價精度有足夠分解力的編碼器，當從任何位置使電機旋轉N步時，理論上的全部旋轉角度NX(基本步距角)同實際從編碼器測得的旋轉角度之間的誤差用曲線表示，其最大值AQmax和最小(負最大值)△Qmax之間的1/2幅度，再用％來表示這就是靜止角度精度。另外也有用角度來表示靜止角度精度。步距角精度(stepaccuracy)也叫領接角度精度、步進精度。是評價一步距實際測得角度和理論角度(基本步距角)之間的偏差精度。具體的計算方法是從任意位置，一步一步地使電動機旋轉360°，實際測出每一步的旋轉位置，再在每一步中算出領接的實際旋轉角度氣，最后求出an和理論步距角Qs之間的差^dn.。(c)磁滯精度：步進電機目前所處的靜止位置會因旋轉方向不同而產生差異,具體的說順時針方向到一個位置和逆時針方向轉到同一位置，二者之間是有誤差的，將二者之間的誤差用％來表示或用角度來表示就是磁滯精度。具體的測試方法：是從任意首先以同一方向一步一步地轉動電機360°，測出每一步的實際位置為。1，9廣"n，然而再反方向一步一步地回到原來的位置，測試出每一步的停止位置。1， 相數(numberofphase) 驅動方式(drivemodel) 步距角(stepangle) 額定電壓(voltage) 直流電阻(resistanceofperphase) 最大空載牽出頻率(maxresponsefrequency) 最大牽入頻率(maxresponsefrequency) 牽入轉矩(putintorque) 相數(numberofphase) 驅動方式(drivemodel) 步距角(stepangle) 額定電壓(voltage) 直流電阻(resistanceofperphase) 最大空載牽出頻率(maxresponsefrequency) 最大牽入頻率(maxresponsefrequency) 牽入轉矩(putintorque) 絕緣電阻(insulationresistance) 絕緣介電強度(dielectricbreakdownofinsulation) 絕緣等級磁滯精度=|9n’-9n|(最大值)四、步進電機運轉方式.步進電機的勵磁所謂勵磁就是讓電流流過線圈,使定子極磁化，只要不斷交替轉換勵磁就能夠使電機旋轉.二相電動機的勵磁方式，常見的有如下4中：1相勵磁方式2相勵磁方式1-2相勵磁方式除此之外還有雙1—2相勵磁方式，這是微步進勵磁中步進角最粗的特殊情況。1、 1相勵磁方式1相勵磁方式電動機只有1相線圈，對這一相線圈依次通電勵磁。由于這種方式在某些期間有線圈完全沒有電流通過，所以電機的導體利用率比較低.缺點是產生轉矩小，但反過來也帶來了輸入小、溫升低的優(yōu)點。2、 2相勵磁方式2相勵磁方式是A和B相2個線圈同時勵磁的方式，這是步進電機最常見的方法。3、 1—2相勵磁方式這1—2相勵磁方式是1相勵磁和2相勵磁交替組成的勵磁方式，1相勵磁的穩(wěn)定平衡點和2相勵磁穩(wěn)定平衡點電氣角45°，及錯開1/2基本步距角，所以用這種勵磁方式可以使電機停在基本步距角的一半處。因而這種勵磁方式又稱半步進勵磁.與此相對應基本步距角旋轉的勵磁方式也稱為全步進勵磁。用1—2相勵磁產生的轉矩變動小，不易受到共振頻率變化的影響，因此可以用這種方式解決振動的噪音的問題。步進電機主要性能參數；(在不同的裝置或系統(tǒng)中，應充分注意步進電機的運行特點，全面考慮技術經濟指標):(electricperformance)1.電性能溫升(temperatureofmotorbobbincoil)2。機械性能：（mechanicalperformance）1） 外觀（outsideview）2） 電機結構及外形尺寸（motorstructureandsize）3） 重量（weight）4） 摩擦轉矩（frictionaltorqueofoutputshaft）5） 噪音（noiselevel）6） 輸出軸機械強度（outputshaftmechanicalstrength）7） 引出線強度（leadwirestrength）8） 自定位轉矩（detenttorque）六、測試方法及規(guī)則：試驗電源a） 輸出電壓波動不超過土2%；b） 電壓波動系數不大于5%;c） 各相靜態(tài)電流不平衡不大于2%。直流電阻試驗后的電機在常溫下放置到穩(wěn)定溫度（不少于2h）后，用電阻測量儀測量每相繞組的直流電阻,按式（1）換算到25°C時的直流電阻。（計算公式見式1）式1：TOC\o"1-5"\h\zR=Rt/ [ 1+ a （t-25 ） ] （1）式中：R 溫度為25C時的繞組直流電阻，Q；Rt 溫度為tC時的繞組直流電阻， Q；a 溫度系數，銅導線a=0。004, 1/C;t 測量繞組直流電阻Rt時的室溫， C.最大空載牽入頻率 「電機空載，加額定電壓，采用預置脈沖數或其它能檢查失步的方法^使電機從鎖定狀態(tài)突然起動，測出轉子在三個不同位置的正反兩個轉向的最高牽入頻率。最大空載牽出頻率電機空載，加額定電壓，逐漸升高脈沖頻率，采用能檢查失步的方法，測出電機在正反兩個轉向的能不失步的最高牽出頻率。牽入轉矩電機加額定電壓、額定頻率，采用預定脈沖數或其它能檢查失步的方法，先加上一定的負載，然后從鎖定狀態(tài)突然起動，測出轉子在三個不同位置的正反兩個轉向的不失步的最大轉矩。自定位轉矩電機不通電，用力矩表將轉矩加到輸出軸上，緩慢增加轉矩直到輸出軸開始連續(xù)旋轉前的最大轉矩。摩擦轉矩電機兩相加額定電壓鎖定轉子，用力矩表將力矩加到輸出軸上,使輸出軸開始連續(xù)旋轉時的力矩。溫升電機在常溫常濕下放置到穩(wěn)定溫度（不小于2h）后，測量繞組的直流電阻％和此時的室溫R，然后電機加額定電壓,頻率為100Hz空載運行到穩(wěn)定溫度（不小于2h）后，測量同一繞組和直流電阻R2和此時的室溫t2，溫升按式（2）計算。（計算公式見式2）式2：。= 〔（R2—R1 ） /R1 〕X（235+t1）+（t1—12） （2）式中：0 電機溫升， K；R2 繞組達到通電穩(wěn)定溫度時的直流電阻Q；R] 繞組達到不通電穩(wěn)定溫度時的直流電阻Q；t1 測量繞組直流電阻R1的室溫，°C；t2 測量繞組直流電阻R2的室溫，C。噪聲將電機置于墊有20mm厚毛氈的木制V形槽內，然后電機加額定電壓，頻率為100Hz,空載運行15s后用精密聲級計的傳聲器置于離電機端面（軸伸側）100mm處，測出聲功率級（A計權）.輸出軸機械強度在電機輸出軸離軸端3mm處，逐漸施加19.6N的徑向力，歷時10s后，無變形和結構破壞。在電機輸出軸的軸線方向，逐漸施加19.6N的軸向拉力，歷時10s后，無變形和結構破壞。在電機輸出軸的軸線方向，逐漸施加19.6N的軸向推力，歷時10s后，無變形和結構破壞。引出線強電機端和插頭端的引線垂直向下，將9。8N的力分別逐漸施加于每根引出線的末端，加力時應使引出線的芯線和絕緣層均受力，歷時10s后，無拉斷及絕緣層和芯線無脫落和損