一、前言
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉█冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进≡电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机,交流电机在常规下使用。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。因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许⌒ 多专业知识。目前,生产步进电机的厂家的确不少,但具有专业技术人员,能够自行开发,研制的厂家却非常少,大部分的厂家只一、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电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选╳型、使用、及整机改进时有所帮助。二、感应子式步进电机工作原理(一)反应式〗步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原ξ理。1、结构:电机转子均匀分布着很多小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示),即A与齿1相对齐,B与齿2向右错开1/3て,C与齿3向右错开2/3て,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1/3て,此时齿3与C偏移为1/3て,齿4与A偏移(て-1/3て)=2/3て。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1/3て,此时齿4与A偏移为1/3て对齐。如A相通电,B,C相不通电,齿4与A对齐,转子又向★右移过1/3て这样经过A、B、C、A分别通电状态,齿4(即齿1前一齿)移到A相,电机转子向右转过一个齿距,如果不断『地按A,B,C,A……通电,电机就每步(每脉冲)1/3て,向右旋转。如按A,C,B,A……通电,电机就反转。由此可见: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。而方向由导电顺序决定。不过,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1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合,使其1/3て变为1/12て,1/24て,这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出:电机定子上有m相∑励磁绕阻,其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被◥控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机,出于成本等多方面考虑,市场上一般以二、三、四、五相为多。3、力矩:电█机一旦通电,在定转子间将产生←磁场(磁通量Ф)当转子与定子错开一定角度产生力F与(dФ/dθ)成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br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=N·I/R N·I为励磁绕阻安匝数(电流乘匝●数)R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比(只考虑线性状态)因此,电≡机有效体积越大,励磁安匝数越大,定转子间气隙越小,电机力矩越大,反之亦然。(二)感应子式步进电机1、特点:感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相∮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,因此该电机效率高,电流小,发热低。因永磁体的存在,该电机具☆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。感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行,也可以作二相运行。(必须采用双极电压驱动),而※反应式电机则不能如此。例如:四相,八相运行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=,D=.一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致,小功率电机一般直接接为二相,而功率大一点的电机√,为了方便↘使用,灵活改变电机的动态特点,往往将其外部接线为八根引线(四相),这∏样使用时,既可以作四相电机使用,可以作二相电机绕组串联或并联使用。2、分类感应子式步进电机以相数可分为:二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号(电机外径)可分为:42BYG(BYG为感应子式步进电机代号)、57BYG、86BYG、110BYG、(国际标准),而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国Ψ 内▓三、驱动控制系统组成使用、控制步进电机必须由环形脉冲,功率放大等组成的控制系统,其方框图如下:1、脉冲信号的产生。脉冲信号一般由▽单片机或CPU产生,一般脉冲★信号的占空比为0.3-0.4左右,电机转速越高,占空比则越大。2、信号分配我厂生产的感应子式步↓进电机以二、四相电机为主,二相电机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。四相电机工作方式也有二种,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,(步距角为0.9度)。3、功率放大功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机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ζ 流)。平均电流越大电机力矩越大,要达到平均←电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势【。因而不同的场合采取不同的的驱动方式,到目前为止,驱动方式一般有以下几种:恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。为尽量提高电机的动态性⊙能,将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。我厂生产的SH系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下:说明:CP 接CPU脉冲信号(负信号,低电平︽有效)OPTO 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,电机反转VCC 直流电源正端GND 直流电源〖负端A 接电机引出线红线接电机引出线绿线B 接电机引出线黄线接电机引出线蓝线 步进电机一经定型,其性能取决于电机的驱动电源。步进电机※转速越高,力距越大则要求电机的电流越大,驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如下:4、细分驱动器在步进电机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电机,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※夹角来控制步进电机运转的。四、步进电机的应用(一)步进电机的选择步进电机有步距角(涉及到相数)、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确①定,步进电机的型号便确定下来了。1、步距角的选择电机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)换算到电机轴上,每个当量电机应走多少√角度(包括减速)。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度(五相电机)、0.9度/1.8度(二、四相电机)、1.5度/3度 (三相电机)等。2、静力矩的选♀择步进电机的动态力矩一下子很难确定,我们往往先确定电机的静力矩。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摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起※动时(一般由低速)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摩擦负载。一般情况下,静力矩应︾为摩擦负载的2-3倍内好,静力矩一旦选定,电机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电机,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,判断电机的电流(参考驱动电源、及¤驱动电压)4、力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的,一般只用力矩来衡量,力矩与功率换算如下:P= Ω·M Ω=2π·n/60 P=2πnM/60其P为功率单位◤为瓦,Ω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=2πfM/400(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、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转,(0.9度时6666PPS),最好在1000-3000PPS(0.9度)间使用,可通过减速装置使其在ω此间工作▓,此时电机工作效率高,噪音低。2、步进电机最好不使用整步状态,整步状态时振动大。3、由于历史原因,只有标称为12V电压的电机使用12V外,其他电机的电①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,110BYG采用高于直流80V),当然12伏的电压※除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源, 不过要考虑温升。4、转动