步进电机工作原理演示.docx

SteppeiMot(M0p«iJfion(UiMpolar.FulSIeP)主题:步进机电的工作原理一、前言步进机电是将电脉冲信号转变为角位移或者线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，机电的转速、住手的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给机电加一个脉冲信号，机电则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加之步进机电惟独周期性的误差而无积累误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进机电来控制变的非常的简单。虽然步进机电已被广泛地应用，但步进机电并不能象普通的直流机电，交流机电在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进机电却非易事，它涉及到机械、机电、电子及计算机等许多专业知识。目前,生产步进机电的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开辟，研制的厂家却非常少，大部份的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进机电为例。叙述其基本工作原理。望能对泛博用户在选型、使用、及整机改进时有所匡助。二、感应子式步进机电工作原理（一）反应式步进机电原理由于反应式步进机电工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进机电原理。1、结构：机电转子均匀分布着不少小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线挨次分别与转子齿轴线错开。0、1/3T、2/3T,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以T表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开13P,C与齿3向右错开23T,A，与齿5相对齐，（A，就是A,齿5就是齿1）2、旋转：如A相通电，B,C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。如B相通电，A,C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3T,此时齿3与C偏移为1/3T,齿4与A偏移CC-13T）=23t°如C相通电，A,B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3T,此时齿4与A偏移为1/3T对齐。如A相通电，B,C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3T这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，机电转子向右转过一个齿距，如果不断地按A,B,C,A通电，机电就每步（每脉冲）1/3T,向右旋转。如按A,C,B,A通电，机电就反转。由此可见：机电的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。无非，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3T改变为1/6T。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3T变为112T,1/24T,这就是机电细分驱动的基本理论依据。不难推出：机电定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1m,2m.（m-1）m,1o并且导电按一定的相序机电就能正反转被控制这是步进机电旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以创造任何相的步进机电，出于成本等多方面考虑，市场上普通以二、三、四、五相为多。3、力矩：机电一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量）当转子与定子错开一定角度产生力F与（dd8）成正比S其磁通量=Br*SBr为磁密，S为导磁面积F与L*D*Br成正比L为铁芯有效长度，D为转子直径Br=NIRN-I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩=力*半径力矩与机电有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态）因此，机电有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，机电力矩越大，反之亦然。（二）感应子式步进机电1、特点：感应子式步进机电与传统的反应式步进机电相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该机电效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该机电具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。感应子式步进机电某种程度上可以看做是低速同步机电。一个四相机电可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式机电则不能如此。例如：四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）彻底可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=,D=.一个二相机电的内部绕组与四相机电彻底一致，小功率机电普通直接接为二相，而功率大一点的机电，为了方便使用，灵便改变机电的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相机电使用，可以作二相机电绕组串联或者并联使用。2、分类感应子式步进机电以相数可分为：二相机电、三相机电、四相机电、五相机电等。以机座号（电机外径）可分为：42BYG（BYG为感应子式步进机电代号）、57BYG、86BYG、11OBYG.（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。3、步进机电的静态指标术语相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或者导电状态用n表示，或者指机电转过一个齿距角所需脉冲数，以四相机电为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：对应一个脉冲信号，机电转子转过的角位移用0表示。=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿机电为例。四拍运行时步距角为8=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。定位转矩：机电在不通电状态下，机电转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）静转矩：机电在额定静态电作用下，机电不作旋转运动时，机电转轴的锁定力矩。此力矩是衡量机电体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安I数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成机电的发热及机械噪音。4、步进机电动态指标及术语：I、步距角精度：步进机电每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。2、失步：机电运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。3、失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，机电运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。4、最大空载起动频率：机电在某种驱动形式、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。5、最大空载的运行频率：机电在某种驱动形式，电压及额定电流下，机电不带负载的最高转速频率。6、运行矩频特性：机电在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是机电诸多动态曲线中最重要的，也是机电选择的根本依据。如下图所示：其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。机电一旦选定，机电的静力矩确定，而动态力矩却不然，机电的动态力矩取决于机电运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，机电输出力矩越大，即机电的频率特性越硬。其中，曲线3电流最大、或者电压最高;曲线1电流最小、或者电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的机电。7、机电的共振点：步进机电均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进机电的共振区普通在180-250pps之间（步距角1.8度）或者在400PPS摆布（步距角为0.9度），机电驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，机电体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使机电输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，普通工作点均应偏移共振区较多。8、机电正反转控制：当机电绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或者（）时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB或者（）时为反转。三、驱动控制系统组成使用、控制步进机电必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如卜丁1、脉冲信号的产生。脉冲信号普通由单片机或者CPU产生，普通脉冲信号的占空比为0.3-0.4摆布，机电转速越高,占空比则越大。2、信号分配我厂生产的感应子式步进机电以二、四相机电为主，二相机电工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为,步距角为1.8度；二相八拍为,步距角为0.9度。四相机电工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,陟距角为0.9度）。3、功率放大功率放大是驱动系统最为重要的部份。步进机电在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大机电力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服机电的反电势。于是不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式普通有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。为尽量提高机电的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进机电的驱动电源。我厂生产的SH系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及机电接线图如下：说明：CP接CPU脉冲信号（负信号，低电平有效）C）PTe）接CPU+5VFREE脱机，与CPU地线相接，驱动电源不工作DIR方向控制，与CPU地线相接，机电反转VCC直流电源正端GND直流电源负端A接机电引出线红线接机电引出线绿线B接机电引出线黄线接机电引出线蓝线步进机电一经定型，其性能取决于机电的驱动电源。步进机电转速越高，力距越大则要求机电的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如下：4、细分驱动器在步进机电步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进机电，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A,B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进机电运转的。四、步进机电的应用（一）步进机电的选择步进机电有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进机电的型号便确定下来了。1、步距角的选择机电的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到机电轴上，每一个当量机电应走多少角度（包括减速）。机电的步距角应等于或者小于此角度。目前市场上步进机电的步距角普通有0.36度/0.72度（五相机电）、0.9度/1.8度（二、四相机电）、1.5度/3度（三相电机）等。2、静力矩的选择步进机电的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定机电的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和磨擦负载二种。单一的惯性负载和单一的磨擦负载是不存在的。直接起动时（普通由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑磨擦负载。普通情况下，静力矩应为磨擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，机电的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）3、电流的选择静力矩一样的机电，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断机电的电流（参考驱动电源、及驱动电压）4、力矩与功率换算步进机电普通在较大范围内调速使用、其功率是变化的，普通只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P=M=2n60P=2nM60其P为功率单位为瓦，C为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米P=2兀fM400（半步工作）其中f为每秒脉冲数（简称PPS）（二）、应用中的注意点1、步进机电应用于低速场合一每分钟转速不超过100o转，9.9度时6666PPS）,最好在IoOO-3000PPS（0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时机电工作效率高，噪音低。2、步进机电最好不使用整步状态，整步状态时振动大。3、由于历史原因，惟独标称为12V电压的机电使用12V外，其他机电的电压值不是驱动电压伏值，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V,86BYG采用直流50V,11OBYG采用高于直流80V）,固然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，无非要考虑温升。4、转动惯量大的负载应选择大机座号机电。5、机电在较高速或者大惯量负载时，普通不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一机电不失步，二可以减少噪音同时可以提高住手的定位精度。6、高精度时，应通过机械减速、提高机电速度,或者采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相机电，无非其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。7、机电不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或者加一些阻尼的解决。8、机电在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。9、应遵循先选机电后选驱动的原则。