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两相步进电机原理?

日期:2021-08-16 08:09   浏览次数:

步进电机是将电脉冲信号转换成角位移或线位移的开环控制元件。在非过载情况下,电机的转速和停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,不受负载变化的影响,即当一个脉冲信号加到电机上时,电机转动一个步进角。这种线性关系的存在,加上步进电机只有周期误差而没有累积误差等特点。在速度和位置控制领域,用步进电机控制非常简单。

两相步进电机原理?

虽然步进电机已经得到了广泛的应用,但步进电机并不像普通的DC电机,常用的是交流电机。只有由双环脉冲信号和功率驱动电路组成的控制系统才能使用。所以步进电机不好用,涉及到机械、电机、电子、计算机等很多专业知识。

目前步进电机的厂家不少,但都有专业技术人员,可以自行开发。但是,厂商很少。大部分只有一二十个人,连最基本的装备都没有。只是处于盲目模仿阶段。这给用户在产品选择和使用上带来了很多麻烦。鉴于上述情况,我们决定以各种电感步进电机为例。描述其基本工作原理。希望对用户选择、使用和改进整机有所帮助。

二、感应式步进电机的工作原理

(一)无功步进电机的原理

因为无功步进电机工作原理简单。首先,将描述三相无功步进电机的原理。

1.结构:

电机转子中有许多均匀分布的小齿,定子齿有三个励磁绕组,其几何轴线依次与转子齿轴线交错排列。0,1/3,2/3,(两个相邻转子齿轴之间的距离由表示),即a与齿1对齐,b从齿2向右偏移1/3,c从齿3向右偏移2/3,a ' '与齿5对齐。

2.旋转:

如果A相通电,B相和C相不通电,由于磁场的作用,齿1与A对齐(这同样适用于没有任何力的转子)。如果b相通电,而a相和c相未通电,则齿2应与b对齐。此时,转子在1/3上方向右移动。此时,齿3和齿c偏移了1/3,齿4和齿a偏移了2/3 .

如果c相通电,则a相和b相不通电,齿3应与c对齐。此时,转子向右移动1/3,齿4与1/3.偏移对齐如果a相通电,b相和c相不通电,齿4与a对齐,转子通过1/3.向右移动A、B、C、A分别通电后,齿4(即齿1的前一齿)移至A相,电机转子向右转动一个节距。如果通过按A、B、C、A …持续供电,电机每走一步都会移动,如果按A、C、B、A …电机就会反转。

可以看出,电机的位置和速度在导通时间(脉冲数)和频率之间是一一对应的。而方向是由传导顺序决定的。

但是为了扭矩,稳定性,噪音,减角等。A-AB-B-BC-C-CA-A常被用作导电状态,以至于每一步的原始1/3都变成了1/6.即使通过两相电流的不同组合,1/3也变成了1/12和1/24,这是电机细分驱动的基本理论基础。

不难推导出电机定子上有M相励磁绕组,它们的轴线与转子齿轴线的偏移量分别为1/m,2/M……(M-1)/M,1。并且可以按照一定的相序控制电机正反转,这是步进电机旋转的物理条件。只要满足这个条件,理论上就可以制造任何相位的步进电机。出于成本等方面的原因,市场上一般有二、三、四、五个阶段。

3.扭矩:

一旦电机通电,定子和定子之间就会产生磁场(磁通量)。当转子与定子偏移一定角度时,力F与(/d)成正比。S是磁密度,S是磁导率面积。f是比例

扭矩与电机有效体积*安培匝数*磁密度成正比(仅考虑线性状态)。因此,电机有效容积越大,励磁安培匝数越大,定子和转子之间的气隙越小,电机转矩越大,反之亦然。

(2)感应式步进电机

1.特点:

与传统的无功步进电机相比,感应式步进电机的转子设有永磁体来提供软磁材料的工作点,而定子励磁只需要提供变化的磁场,而不需要提供磁性材料工作点的能耗,因此电机效率高、电流小、发热低。由于永磁体的存在,电机具有很强的反电动势,自身阻尼效果更好,使其运行平稳,噪音低,振动频率低。

感应式步进电机在某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以制造四个

相运行,也可以做两相运行。(必须由双极电压驱动),但无功电机不能。比如四相八相运行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用两相八拍运行模式,这并不难发现

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等均为国内标准。

  3、步进电机的静态指标术语

  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导电状态用n表示,或指电机转过一个齿距角所需脉冲数,以四相电机为例,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,电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度(转子齿数J*运行拍数),以常规二、四相,转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/(50*4)=1.8度(俗称整步),八拍运行时步距角为θ=360度/(50*8)=0.9度(俗称半步)。

  定位转矩:电机在不通电状态下,电机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:电机在额定静态电作用下,电机不作旋转运动时,电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积(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匝数成正比,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,这样会造成电机的发热及机械噪音。

  4、步进电机动态指标及术语:

  1、步距角精度:

  步进电机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:

  电机运转时运转的步数,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,电机运转必存在失调角,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:

  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。

  5、最大空载的运行频率:

  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。

  6、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称为运行矩频特性,这是电机诸多动态曲线中最重要的,也是电机选择的根本依据。如下图所示:

  其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。

  电机一旦选定,电机的静力矩确定,而动态力矩却不然,电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流(而非静态电流),平均电流越大,电机输出力矩越大,即电机的频率特性越硬。

  其中,曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低,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电机。

  7、电机的共振点:

  步进电机均有固定的共振区域,二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间(步距角1.8度)或在400pps左右(步距角为0.9度),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,为使电机输出电矩大,不失步和整个系统的噪音降低,一般工作点均应偏移共振区较多。

  8、电机正反转控制:

  当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或()时为正转,通电时序为DA-CA-BC-AB或()时为反转。

  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+5V

  FREE 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、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。

  5、电机在较高速或大惯量负载时,一般不在工作速度起动,而采用逐渐升频提速,一电机不失步,二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。

  6、高精度时,应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决,也可以采用5相电机,不过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、电机不应在振动区内工作,如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。

  8、电机在600PPS(0.9度)以下工作,应采用小电流、大电感、低电压来驱动。

  9、应遵循先选电机后选驱动的原则。