步进电机基本知识(共7页).docx

精选优质文档-倾情为你奉上步进电机基本知识(2009-01-08 13:51:30) 1、步进电机：是一种将电脉冲转化为角位移或线位移的执行机构。其特点是没有积累误差（精度为100%），广泛应用于各种开环控制。2、步进电机分类：永磁式（PM），反应式（VR），混合式（HB）。3、保持转矩：是指步进电机通电，但没有转动时，定子锁住转子的力矩。4、精度：为步进角的35%，且不累积。5、细分驱动器：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的运转的。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。对于2，4相电机，细分后的步距角等于电机的整步步距角除以细分数。对于3相反应式电机，细分后的步距角等于电机的半步步距角除以细分数。6、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。 0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°，整步工作时为1.8°）此步距角为电机固有步距角。7、相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。8、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。9、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。10、最大空载运行频率：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。11、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。12、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。方向由导电顺序决定。控制步进脉冲信号的频率，可以对电机进行精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机进行精确定位。13、步进电机驱动器：是把计算机控制系统提供的弱信号放大为步进电机能够接受的强电流信号。14、拍数：是完成一个磁场周期性变化所需脉冲数。指电机转过一个齿距角所需脉冲数。15、脱机信号free：此信号为选用信号，并不是必须要用的，只有在一些特殊情况下使用，此端为低电平有效，这时电机处于无力矩状态；此端为高电平或悬空不接时此功能无效，电机可正常运行，此功能若用户不采用，只需将此端悬空即可。16、CP脉冲宽度一般要求不小于2us。17、CP电平方式：对于共阳接法的驱动器要求为负脉冲方式，脉冲状态为低电平，无脉冲时为高电平；对于共阴接法的驱动器要求为正脉冲方式，脉冲状态为高电平，无脉冲时为低电平。18、dir信号：一定要在电机降速停止后再换向。19、步进电机在启动时，必须有升速过程；在停止时必须有降速过程，一般来说升速过程和降速过程规律相同。特例：步进电机运行速度不超过突跳频率，这时不存在升降速问题。20、自动半电流功能：驱动机在步进脉冲信号停止施加2S左右，会自动进入半电流状态，这时电机相电流为运行时的一半，以减少功耗和保护电机。21、细分优点：完全消除了电机的低频振荡。22、步进电机的工作性能在很大程度上取决于所使用的驱动电路的类型和参数。23、常用的有两相，四相混合式步进电机。24、电机是有内阻的感性负载。25、步进电机驱动方式：恒压，恒流，恒流斩波，使同样电机输出更大速度和功率。26、步进电机启动：    A、低初速度，低加速度阶段                      B、高加速度过程                      C、高速运行，低加速度，一直到预定速度为止。27、速度传感器：磁电式             交流信号输出                       光电式             数字信号输出      霍尔式            车速传感器28、电机换向必须在电机停止后再进行，并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个CP脉冲前发出。29、正反向切换：降速换向升速30、SH-2H090M型驱动器的拨位开关有8位，1-3位用于设定驱动器的细分数；6-8位用于设定驱动器的输出电流，4，5位须拨在off位置。31、最高起动频率（突跳频率）：一般为0.1HZ到3-4KHZ，最高运行频率：N×102KHZ32、实际上，如果CP信号变化太快，步进电机由于惯性将跟随不上电信号变化，这时就会产生堵转和丢步现象。所以步进电机在启动时，必须有升速过程，在停止时，必须有降速过程，一般来说升速和降速过程规律相同。升速过程由突跳频率加升速曲线组成(降速过程反之)。突跳频率是指步进电机在静止状态时突然施加的脉冲启动频率，此频率不可太大，否则也会产生堵转和丢步。升降速曲线一般为指数曲线或经过修调的指数曲线，当然也可以采用直线或正玄曲线等。用户需根据自己的负载选择合适的突跳频率和升降速曲线，找到一条理想的曲线并不容易，一般需要多次“试机”才行。指数曲线在实际软件编程中比较麻烦，一般事先算好时间常数存储在计算机存储器内，工作过程中直接选取。步进电机的升降速设计为控制软件的主要工作量，其设计水平直接影响电机运行的平稳性、升降速快慢、电机运行声音、最高速度、定位精度。33、步进电机目前常用的有二、三、四、五相步进电机。电机相数不同其步距角不同，一般二相步距角0.9°/1.8°,三相步距角0.75°/1.5°，五相步距角0.36°/0.72°。在没有细分驱动器时，用户通过选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求，如果选用细分驱动器，则相数变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。34、功率：P=•M=2n/60•M=2•n•M/60   对于半步工作：P=2•f•M/600   其中：P-功率， -角速度，M-力矩，n-电机转速，f-每秒钟脉冲数（pps）35、步进电机控制芯片：L298，TA8435。其外围电路简单，TA8435还可以8细分。36、步进电动机的运行性能是由电动机和驱动器两者配合所形成的综合效果。37、常用步进电机为混合式步进电机步进电机几个重要性能与影响因素描述 2009-10-20 1、常见二相电机中绕组类型与特性？在二相电机中绕组方式有两种：二相四线与二相六线（五线）两种方式。其中二相四线又称为双极性步电机（采用桥式电源驱动），驱动器向绕组提供正、反两个电流，绕组利用率较高。二相六线（五线）电机由公共端出发，驱动器向绕组提供单一方向的电流，绕组利用率为50%,这类电机又称为单极性电机。通常地：二相四线电机采用恒流源驱动，驱动器成本较高，通过合理地选用电机机座型号、电机的电阻、电感、额定工作电流等，可获得较好的工作特性，使用最为广泛；二相六线（五线）通常采用恒压源驱动，通常应用于工作频率点低，且工作频率点扭矩较低的场合，其驱动器成本较低。2、步进电机的直流电阻 直流电阻数值随温度变化而略有变化。为了与出厂及历次测量的数值作比较，应将在不同的温度下测得的直流电阻值换算到同一温度下的阻值。换算公式如下： Rw = Rm (T+tw) / (T+tm)式中Rm温度为tm()时测得的电阻，Rw换算至温度为tw的电阻，T温度系数，铜线为235，铝线为225。 在23HA3001-1电机直流电阻测量中，其测试环境与测试所用的工具是否正确，起决定性影响。3、步进电机的电感值 步进电机转子内部固有的永久磁铁，电感与电阻一起，作为另一个重要参数出现，对电机的动态特性影响极为显著。一般地低电阻、低电感其空载起动、运行频率均较高，在满足设计的条件下（一般地规定的机座号、机身高情况下，电机必须达到标准的保持转矩，以提高材料利用率），工作频率点可以先得较大，如23HA3002-1电机可以达到4000PPS，但是其驱动电流较大，驱动器制造成本为较高，而且不好控制噪声；相反，大电阻、大电感其工作频率点就会显著减小，驱动器成本会减少。4、二相电机的步距角常见二相步进电机固有步距角（定、转子机械结构确定的）有两种：1.8°（作四相八拍运行为0.9°）与0.9°（作四相八拍运行为0.45°）两种，前一种最常用，后一种精度更高，适用于高精密场合，其步距角精度为±5%内。具体步进电机运行步距角与驱动方式有关（决定于：驱动节拍与单步细分数）。通常地：步进电机作单一方向转动，施加电机的脉冲数与细分步距角之积应为固有步距角的整数倍，这样电机转动到定位点时最稳定，瞬间电流因素影响最少。如固有步距角1.8°的二相电机，作二相四拍运行（运行步距角为1.8°），则施加整数倍就可以，如作二相八拍运行时（运行步距角为0.9°），则施加于电机的脉冲数为0.9°的偶数倍脉冲，细分后以此类推。5、步进电机的“定位转矩”定位转距是指电机各相绕组不通电且处于开路状态时，由于混合式电机转子上有永磁材料产生磁场，从而产生的转距。一般定位转距远小于保持转距。是否存在定位转距是混合式步进电机区别于反应式步进电机的重要标志。 6、步进电机的"保持转矩"保持转距，在二相电机中是指电机二相绕组同时通额定电流，且处于静态锁定状态时，电机所能输出的最大转距。是电机选型时最重要的参数之一。通常步进电机是在恒流或恒压条件下工作的，在低速运行时，其输出力矩与最大转矩接近，但由频率增加，反电势及高频导致电机内部损耗的提高，步进电机的输出功率会随速度的增大而迅速变小，步进电机的输出力矩随速度的增大而迅速衰减（不同型号、不同参数其衰减率不一样，通常用矩频特性曲线来表示），所以其最高工作转速一般在300600RPM。比较：而交流伺服电机可以自行调整输入电压与电流，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。而且与通用交流电机（或伺服电机）不一样，步进电机起动瞬间，线组内工作电流是按额定电流工作的，因此无过载能力差。在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。决定保持转矩的参数：A）电机机座号（16HA、17HA、17HD、23HA、23HD、32HD等）；B）电机机身高度； C）绕组匝数（体现在电阻、电感值）与工作时绕组的额定电流值。7、低频特性中的振动与克服方式由步进电机的工作原理（非连惯、单点的脉冲电源），决定其低频工作段某些频率段会出现低频振动现象（谐波造成的）根据经验其振动频率点大致分布为200PPS、400PPS左右，尤其是200PPS段最为明显，具体振动值与负载情况和驱动器性能有关。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。为解决步进电机固有的低频振动问题，从电机本体上是增加电机相数，如三相、五相电机，其振动特性就比普通的二相电机好很多。在实际使用中，为克服振动问题，主要从几个方面来解决：第一、当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器；第二、驱动器上采用细分技术,使电流波形接近正弦波，越接近正弦波其动态特性越好；第三、在写程序时，避开电机固有振动区。 8、电机的空载起动频率 指无负载时，电机最大起动频率值，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转，在堵转时,会伴有啸叫声。由以下个方面决定：第一，电机本身：电机参数（保持转矩、电阻/电感值、额定电流），转子的转动惯量，电阻/电感值越大，起动反电势会高，起动频率降低，转子转动惯量越小，则起动频率会越高。第二、起动点频率（起动时加速）。第三、驱动方式：恒流与恒压驱动，前者明显优于后者；运行拍数：二相四拍与二相八拍方式，后者要优于前者，作为重要参数，需指定其双方验收的驱动方式。在有负载的情况下，启动频率应更低，具体见某规格电机矩频特性曲线。9、电机的空载运行频率 步进电机有一个技术参数：空载运行频率，指电机在较低频率起动下，通过一定规律加速（通常有线性、二次方、指数方式等），使电机达到最高转速而不失步，该频率为最高空载运行频率。 要准确测试该参数，一定要注意三个条件： 1）在较低频率下启动，但不可在低频动区启动，这样启动时会失步（啸叫声）； 2）在到达最高转速前，脉冲频率将要求按一定的规律方式加速，过程平稳，脉冲之间跟随性良好； 3）电机按脉冲频率同步的方式加速，而达到所希望的最高频而不失步（电机转速从低速升到高速）。 一般来讲：低电阻、低电感电机起动频率与运行频率较高，电机可以在较高频率段工作，但驱动中要注意想办法克服马达的电磁噪声；大电阻、大电感电机起动频率与运行频率相对较低，电磁噪声效果明显变低，但电机只能在低、中频区间工作。 注意（1）电机空载最高运行与最大启动频率两参数，是反映电机输出特性的两个重要决定性指标，所有出厂电机均要求全检。 （2）所有电机在参数确定，测试条件确定的前提下，其特性有一定误差（装配后的机械特性），但总体上误不会很大（10%内）。9、启动与运行矩频特性曲线反映电机的启动与运行扭矩与频率关系特性曲线，当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。是介定电机或靠工作点的核心参数，要求电机工作点频率，扭矩余量大余1015%以上。决定要素是：电阻/电感、保持转矩、工作电流、转子转动惯量、驱动方式等。由于测试方式复杂，不能每台电机均测试其动态曲线，实际工作中，只能通过其核心参数来反映：如电阻、电感值，保持转矩、定位转矩等。10、 步进电机发热是否属于正常现象，一般温度范围是多少?1） 电机发热的原理： 我们通常见到的各类电机，内部都是有铁芯和绕组线圈的。绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。 2）步进电机发热的合理范围： 电机发热允许到什么程度，主要取决于电机内部绝缘等级。内部绝缘性能在高温下（130度以上）才会被破坏。所以只要内部不超过130度，电机不会损环，而这时表面温度会在90度以下。所以，步进电机表面温度在70-80度都是正常的。简单的温度测量方法有用点温计的，也可以粗略判断：用手可以触摸1-2秒以上，不超过60度；用手只能碰一下，大约在70-80度；滴几滴水迅速气化，则90度以上了。 3）步进电机发热随速度变化的情况： 采用恒流驱动技术时，步进电机在静态和低速下，电流会维持恒定，以保持恒力矩输出。速度高到一定程度，电机内部反电势升高，电流将逐步下降，力矩也会下降。因此，因铜损带来的发热情况就与速度相关了。静态和低速时一般发热高，高速时发热低。但是铁损（虽然占的比例较小）变化的情况却不尽然，而电机整个的发热是二者之和，所以上述只是一般情况。 4）发热带来的影响： 电机发热虽然一般不会影响电机的寿命，对大多数客户没必要理会。但是严重时会带来一些负面影响。如电机内部各部分热膨胀系数不同导致结构应力的变化和内部气隙的微小变化，会影响电机的动态响应，高速会容易失步。又如有些场合不允许电机的过度发热，如医疗器械和高精度的测试设备等。因此对电机的发热应当进行必要的控制。 5）如何减少电机的发热：减少发热，就是减少铜损和铁损。 减少铜损有两个方向，减少电阻和电流，这就要求在选型时尽量选择电阻小和额定电流小的电机，对两相电机，能用串联的电机就不用并联电机。但是这往往与力矩和高速的要求相抵触。对于已经选定的电机，则应充分利用驱动器的自动半流控制功能和脱机功能，前者在电机处于静态时自动减少电流，后者干脆将电流切断。另外，细分驱动器由于电流波形接近正弦，谐波少，电机发热也会较少。减少铁损的办法不多，电压等级与之有关，高压驱动的电机虽然会带来高速特性的提升，但也带来发热的增加。所以应当选择合适的驱动电压等级，兼顾高速性，平稳性和发热，噪音等指标专心-专注-专业