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數(shù)控機(jī)床

步進(jìn)電機(jī)的基本原理

星之球激光 來源:機(jī)器人愛好者2011-09-29 我要評論(0 )   

步進(jìn)電機(jī)的一般介紹: 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為步距角)...

 

步進(jìn)電機(jī)的一般介紹:

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”),它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)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(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī),利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。

現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM)、混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。

永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相,轉(zhuǎn)矩和體積較小,步進(jìn)角一般為7.5度 或15度;
反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相,可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出,步進(jìn)角一般為1.5度,但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相:兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)的一些基本參數(shù):

電機(jī)固有步距角:

它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號,電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。電機(jī)出廠時給出了一個步距角的值,如86BYG250A型電機(jī)給出的值為0.9°/1.8°(表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°),這個步距角可以稱之為‘電機(jī)固有步距角’,它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時的真正步距角,真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。

步進(jìn)電機(jī)的相數(shù):

是指電機(jī)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(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同,其步距角也不同,一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/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(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動器,則‘相數(shù)’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(HOLDINGTORQUE):

是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動時,定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一,通常步進(jìn)電機(jī)在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如,當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)電機(jī),在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。

DETENTTORQUE:

是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下,定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENTTORQUE在國內(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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料,所以它沒有DETENT TORQUE。

步進(jìn)電機(jī)的一些特點(diǎn):

1.一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%,且不累積。

2.步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。

步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)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(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn);一般來講,磁性材料的退磁點(diǎn)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(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

3.步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時,電機(jī)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(jī)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(jìn)電機(jī)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。

步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù):空載啟動頻率,即步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速)。

步進(jìn)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù),以四相電機(jī)為例,有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍運(yùn)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(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度(轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運(yùn)行拍數(shù)),以常規(guī)二、四相,轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時步距角為θ=360度/(50*4)=1.8度(俗稱整步),八拍運(yùn)行時步距角為θ=360度/(50*8)=0.9度(俗稱半步)。

定位轉(zhuǎn)矩:電機(jī)在不通電狀態(tài)下,電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩(由磁場齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的)

靜轉(zhuǎn)矩:電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下,電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時,電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)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(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。

步進(jìn)電機(jī)動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語:

1、步距角精度:

步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示:誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同,四拍運(yùn)行時應(yīng)在5%之內(nèi),八拍運(yùn)行時應(yīng)在15%以內(nèi)。

2、失步:

電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時運(yùn)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(jī)運(yùn)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(jī)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,能夠直接起動的最大頻率。

5、最大空載的運(yùn)行頻率:

電機(jī)在某種驅(qū)動形式,電壓及額定電流下,電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。

6、運(yùn)行矩頻特性:

電機(jī)在某種測試條件下測得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性,這是電機(jī)諸多動態(tài)曲線中最重要的,也是電機(jī)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(jī)一旦選定,電機(jī)的靜力矩確定,而動態(tài)力矩卻不然,電機(jī)的動態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時的平均電流(而非靜態(tài)電流),平均電流越大,電機(jī)輸出力矩越大,即電機(jī)的頻率特性越硬。#p#分頁標(biāo)題#e#

如下圖所示:

 

其中,曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低,曲線與負(fù)載的交點(diǎn)為負(fù)載的最大速度點(diǎn)。

要使平均電流大,盡可能提高驅(qū)動電壓,使采用小電感大電流的電機(jī)。

7、電機(jī)的共振點(diǎn):

步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域,二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)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(jī)驅(qū)動電壓越高,電機(jī)電流越大,負(fù)載越輕,電機(jī)體積越小,則共振區(qū)向上偏移,反之亦然,為使電機(jī)輸出電矩大,不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低,一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。

 

 

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