小白也能看懂的步进电机入门指南(PART 1)

2017-08-26 01:05  | 打印 | 返回
步进电机的定义
步进电机是一种感应电机,它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流,用这种电流为步进电机供电,步进电机才能正常工作,驱动器就是为步进电机分时供电的,多相时序控制器。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲:当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步距角)。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能像普通的直流电机,交流电机可以用电源直接驱动使用。它必须由控制器(步进脉冲发生器),驱动器(环形分配器+功率放大电路)组成驱动控制系统方可使用。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。

步进电机的分类
步进电机从其结构形式上可分为反应式步进电机(Variable Reluctance,VR)、永磁式步进电机Permanent Magnet , PM)、混合式步进电机(Hybrid, HB)。
反应式:定子上有绕组、转子由软磁材料组成。其特点是结构简单、成本低、步距角小,可达1.2°,但动态性能差、效率低、发热大,可靠性难保证。
永磁式:永磁式步进电机的转子用永磁材料制成,转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大,但这种电机精度差,步矩角大(一般为7.5°或15°)。
混合式:混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点,其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料,转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好,步距角小(一般两相1.8°或0.9°,三相1.2°或0.6° ,五相0.72°或0.36° ),但结构复杂、成本相对较高。

步进电机的工作原理
A、安培定则(右手螺旋定则)
用右手握住通电螺线管,使四指弯曲与电流方向一致,那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。
B、磁铁的特点
同性相斥,异性相吸。

 

步进电机的构造

由转子(转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠轴承),定子(绕组、定子铁芯),前后端盖组成。最典型两相混合式步进电机的定子有8个大齿,40个小齿,转子有50个小齿;三相电机的定子有9个大齿,45个小齿,转子有50个小齿。

步进电机主要参数
步进电机的相数:电机内部的线圈组数,目前常用的有两相、三相、五相步进电机。
步进电机的机座号:指电机的外径(mm),混合式步进电机一般有20、25、28、35、39、42、57、60、86、110、130、150等。
步距角:对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移。
额定电流:在保持正常温度下,电机能够安全运行的限定电流,通常建议在额定电流的70%~90% 下使用。
保持转矩( HOLDING TORQUE ):步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。
定位转矩( DETENT TORQUE ):电机在不通电状态下,电机转子自身的锁定力矩。
运行矩频特性:电机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 。

 

步进电机的特点

1、一般步进电机的精度为步距角的3-5%,且位置误差不累积;
2、步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点(绝缘等级),一般步进电机耐热绝缘等级为B级(130℃),所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。电机的绝缘等级一般有5等(A,E,B,F,H );
3、步进电机的力矩会随转速的升高而下降,并且没有过载能力(高频无力,无过载能力);
4、即使在无励磁的情况下,步进电机也具有一定的自锁能力。(DETENT TORQUE )
5、空载启动频率: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。 步进电机的启动速度一般在10~100RPM,伺服电机的启动速度一般在100~300RPM。根据电机大小和负载情况而定,大电机一般对应较低的启动速度;
6、低频振动:步进电动机以连续的步距状态边移动边重复运转。其步距状态的移动会产生单步距响应 ,当电机输入频率等于步进电机的固有频率时,产生共振。电机驱动电压越高,电机电流越大,负载越轻,电机体积越小,则共振区向上偏移,反之亦然。步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点,克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声方法:
      a、通过改变减速比等机械传动避开共振区;
      b、采用带有细分功能的驱动器; 
      c、换成步距角更小的步进电机;
      d、选用电感较大的电机;
      e、换成交流伺服电机,几乎可以完全克服震动和噪声,但成本高;
      f、采用小电流、低电压来驱动;
      g、在电机轴上加磁性阻尼器;
      7、中高频稳定性

8、控制方便:转速和脉冲频率成正比,位移量与脉冲个数成正比。改变脉冲的频率和个数可以控制转速和位移,改变脉冲的顺序可以改变转动的方向。

 

步进电机单步响应过程
1、步进电机收到单个步进脉冲从静止状态加速转向下一个停止位置;
2、电机加速通过停止位置,并过冲一个角度,然后被反向拉回;
3、在电机内部摩擦力的作用下,通过阻尼振荡电机最终稳定在设定的停止位置。

 

步进电机动态运行力矩速度

自启动区域:电机可以直接启动和停止的区域。
牵入力矩(启动力矩):已励磁电机能以一固定频率启动和同步运行而不丢步的最大转矩。
牵出力矩(运行力矩):在给定频率下电机能同步运行不丢步的最大转矩。
最大启动频率:空载情况下,已励磁电机直接启动而不丢步的最大频率。
最大运行频率:空载情况下,已励磁电机运行而不丢步的最大频率。
高效连续运行区域:在此区域内电机无法直接启动和停止。电机在此区域运行必须经过自启动区域,然后加速达到此工作区域。同理,在此区域内也无法直接制动,否则容易造成失步,必须先减速到自启动区域内再制动。

 

步进电机选型原则

步进电机由保持力矩、转速及步距角三大要素组成,一旦三大要素确定,步进电机的型号便确定下来了。
1、保持力矩的选择
步进电机的动态力矩一下子很难确定,我们往往先依据是电机工作的负载确定电机的保持力矩(或叫静力矩)。大致来说,扭力在0.8N.m以下,选择20、28、35、39、42(电机的机身直径或方度,单位:MM);扭力在1N.m左右的,选择57电机较为合适。扭力在几个N.m或更大的情况下,就要选择86、110、130等规格的步进电机。保持力矩一旦选定,电机的机座及长度便能确定下来(几何尺寸)。
2、转速的选择
步进电机的输出转矩与转速成反比。就是说,步进电机在低速情况下输出转矩较大,而在高速旋转状态的转矩(1000rpm以上)就很小了。但是,有些工况需要高速电机,就要对步进电机的线圈电阻、电感等指标进行衡量。选择电感稍小一些的电机,作为高速电机,能够在高速获得较大输出转矩。反之,要求低速大力矩的情况下,就要选择电感在十几或几十mH,电阻也要大一些为好。
3、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)、0.6度/1.2度(三相电机)等。不同相数的电机,工作效果是不同的。相数越多,步距角就能够做的比较小,工作时的振动就相对小一些。大多数场合,使用两相电机比较多。在高速大力矩的工作环境,选择三相步进电机是比较实用的。

 

步进电机应用领域

步进电机广泛应用于各类数字定位和调速系统,如:各类打印机,扫描仪各种办公化设备/检验分析仪器及各类医疗器械/通讯设备/X-Y平台和各类半导体、电子自动化生产检测设备/印刷设备、成像设备/阀门控制/舞台灯光、监控设备。