步进电机培训教材

步进电机培训教材课程目录：1、步进电动机概述；2、永磁式步进电机机构及工作原理（爪极型）3、步进电机的特性；4、步进电机运转方式；5、公司常用步进电机介绍；6、摩擦机构打滑原理；一、步进电动机概述1.1步进电机及其发展步进电动机（steppingmotor）又称脉冲电动机、脉动电动机、分级电动机；更老一些叫法也叫阶跃电动机。国外一般称为Stepmotor或Steppingmotor、Pulsemotor、Stepperservo、Stepper等等。目前，随着电子技术以及电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。就传统的步进电机来说中，步进电机可以简单的定义为，根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态前进一定角度(或长度)，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电动机。1.2步进电动机的机理步进电动机的机理是基于基本的电磁铁作用，其原始模型起源于1830年至1860年间，1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初步进电动机。此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电动机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等系统中广泛使用。20世纪60代后期，在步进电动机本体方面随着永磁的发展，各种实用性步进电动机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进动机在众多领域的应用。在近30年间，步进电动机迅速地发展并成熟起来。从发展趋向来讲，步进电动机已经能和直流电动机异步电动机，以及同步电动机并列，从而成为电动机的一种基本类型。1.3步进电机发展历史我国步进电机的研究及制造起始于20世纪50年代后期。而进入20世纪有关步进电动机的发明不断出现。最初美国的AndrewTMacCoy发明了电动打字机用的步进电动机，这是一种带逆转轮的结构的永磁步进电动机，步距角为30°这种电动机获得了1907年美国专利。1923年苏格兰的JamesWeirFrench发明了VR三相步进电动机。这种电动机以规定的次序对定子线圈励磁，每次只转动一定的角度。这种电动机主要特点如下：（1）控制电路步进电动机的驱动控制电路是将脉冲分配到各相线圈对数控机器的适应性中去的逻辑分配电路，或者是对线圈提供励磁的驱动开关电路。这种电路同其他伺服控制电路相比较是很简单。（2）对数控机器的适应性步进电动机很容易同应用微机的设备组合起来，优点是对旋转角度、速度、正反转；启动停止等动作的控制准确、迅速。（3）定位控制直流电动机等伺服电动机进行定位控制时，使转子保持在某一角度，一定要不间断通电，以达到制动作用。而步进电机只要维持励磁就能得到保持转矩。永磁型、混合型步进电动机即使切断励磁也能得到定位转矩；因此，用步进电动机实现准确的定位控制既简单、成本又低。（4）步距角误差步进电动机的角度误差通常是基本步距角的5%左右，因此输入脉冲没有积累误差，所以定位精度很高。（5）低转速、高转矩步进电动机与其他类似电动机比较，是属于低速、高转矩电动机。其他伺服电动机的工作转速在1000rpm以上，而以每秒1000个脉冲的速度来驱动1.8°的步进电动机时转速只有300rpm，以它是属于低转速、高转矩的电动机。（6）速度可变控制步进电机的旋转角度同输入脉冲成正比，旋转速度同输入的脉冲（频率）成正比，只要简单的改变脉冲速率，就能达到大幅度控制速度变化的目的。步进电机除了轴承以外没有电刷、换向器等磨损部件，无须特殊的维修保养，是可靠性高寿命长的电动机。（7）可靠性高（8）稳定性差(共振)步进电动机的驱动转矩随着转子旋转的位置而变化，而每次励磁都会引起转矩的波动，所以速率的波动比较大。另外电动机的转矩和惯量决定着电动机固有的频率和驱动脉冲速率，同步进电动机安装的固有的振动之间引起共振，而产生共振噪音，这是一大缺点。1.4步进电动机的分类根据步进电动机的结构可以分为三大类（1）磁阻式步进电动机（Variable---reluctancetype）（2）永磁式步进电动机（permanentmagnettype）（3）混合式步进电动机（hybridtype）永磁式步进电机：也称PM步进电机，转子采用永磁磁钢。这种步进电机定子采用冲压方式加工成爪型齿极，转子采用径向多极充磁的永磁磁钢。这种电动机成本低廉。混合式步进电机：也称BH型，是VR型和PM型的结合形式。它在VR型电动机的转子或者定子上配置永磁磁钢，由于气隙部分偏置（梢加正电压或负电压）磁场，所以输出轴转矩上升，提高效率。磁阻式步进电机：这种步进电机磁阻是可变的，也称VR型步进电机。追溯历史在19世纪中期，这种步进电机的结构是最基础的。定子和转子上配置有一定间距的突极，当对线圈励磁时，定子和转子的突极相互吸引成直线状，利用这一原理获得步进式转矩。每一相突极分别错开一定的轴相角度重叠排列。二、永磁式步进电机机构及工作原理（爪极型）1.永磁步进电机结构：永磁爪极步进电机的典型结构如图1所示。整个电动机定转子的轴向均分为两段，中间由隔磁片隔开，两段互相间叉开一个步距角，每段均由定子，转子以及套在定子的一个环形绕组所组成。每段定子内孔圆周上的极片呈爪形作环形对称排列，外面并绕两套反向串联的环形绕组，定子两段环形磁钢同向同轴联结径向充磁。通电顺序：A→AB→B→BA-→A-→A-B-→B-→B-A2.步进电机工作原理：设上段两反向绕组分别为A，A-两相，其中下段两反向绕组分别为B，B-两相，当在AO和BO两相绕组通电时，同一段内相领极片呈相反极性，转子在定子极片处于图2（a）所示的平衡位置。当把A，B相通电转换成AO，B-O两相通电后，这是B段定子极片极性全部反向。转子将向左移动一步，如图2(b)所示.如果继续改变通电状态，即由AB→AB-→A-B-→AB转子就会步进旋转，若改变通电顺序AB→A-B→A-B-→AB则电机反向旋转。三、步进电机的特性1、静态转矩特性a.保持转矩：是指步进电机在励磁状态，用外力旋转输出轴时，抗拒外力所产生的最大转矩。保持转矩也叫最大静止转矩、最大保持转矩、堵转转矩。保持转矩大小随励磁电流的大小、励磁方式不同而不同。同一电动机二相励磁比起一相励磁通常保持转矩大1.4倍，但不能误认为通电相数越多，合成转矩越大。由于转矩受电源参数及电流大小的影响，会出现通电相数少时的转矩反而比通电相数多时大。步进电机的转速和转矩变化范围较宽，又受电源结构的影响，很难用功率表示步进电机的力能指标，而只能给出最大静转矩值。b.自定位转矩：在电动机中使用永磁的PM型步进电机、HB型步进电机，即使没有励磁电流，由于磁钢所产生的磁场也会有持续作用于转子的转矩使之处于一个稳定平衡状态。在这没有励磁状态下，从外部对输出轴施加转矩时，而产生的最大值称为自定位转矩（detenttorque）。自定位转矩也称为无励磁保持转矩或剩余转矩（residualtorque）。2、动态转矩特性a.牵入转矩特性：所谓牵入转矩（pull-in-torquecharacteristics）就是一种负载转矩,具体做法是用在直接连接在输出轴的滑轮上垂吊砝码的对轴加上负载,再交替加上驱动脉冲、停止，使电动机一会儿启动，一会儿停止，这时电动机不得不有误动所测得的临界转矩。换而言之如果增加了所吊砝码的重量，就要引起电动机误转动，这时求得的临界转矩；表示驱动脉冲同临界转矩之间关系的这种特性称牵入转矩。b.最大自启动频率：在空载状态下，最快的脉冲速率电动机就不能启动了，这种临界速度即为最大自启动频率。步进电机运转速度大多用脉冲速度表示，具体就是用在单位时间内施加的脉冲数（PPS）表示。c.牵出转矩特性：牵出转矩特性也叫牵出特性、转换特性。具体就是首先以一定负载使电动机自启动，然后逐步提高输入到电动机的脉冲速率，当脉冲速率提高到某一速率时就会引起电动机误动或者停转，牵出转矩特性就是表示这一临界脉冲和负载转矩之间的关系的特性。d.最大响应频率：当空载时，脉冲速度超过此频率电动机就不能响应，称这一脉冲速率为要求牵出转矩曲线时，先使电机启动，保持一定的输入脉冲速度不变，逐渐增加负载转矩直到电机停止转动，这时求得临界转矩值，可以得到同样的特性曲线称这一曲线上的转矩为牵出转矩，这一值肯定比牵入转矩高。称牵出转矩和牵入转矩之间的范围为工作区域，在这一区域内运转时必须注意当改变脉冲速率时，不会因误步或共振而引起失步。这就是说,电机连续转动时产生的最大输出转矩T是随着脉冲频率f的升高而减小的。T与f两者间的关系曲线称之为步进电机运行频率特性。3、矩频特性矩频曲线响应特性：步进电机运转时，是一边振动一边旋转的，停止时是先过冲后再一边作衰减振动一边停下来。称表示这种旋转震荡过程的特性为响应特性。单步响应特性：其中只输入一个脉冲时旋转震荡结果的特性叫，输入连续脉冲时的响应特性称为连续响应特性。这种响应特性也叫动特性，为了防止共振、振动应采取最合适的运转方式，这是十分重要的特性。4、响应特性连续响应特性：步进电机应随脉冲信号旋转，应根据输入的脉冲速率按比例变化旋转。但是由于转子、负载的惯量，转子的实际动作总要比脉冲速率早一点或迟一点，有时跟不上脉冲信号的变化会失步。5、共振特性步进电机每输入一次脉冲目标稳定点就会更换，不断的产生新的转矩，一边牵引着负载转矩一边持续旋转。当接近目标位置，产生的转矩也变小，然后又有新的脉冲输入，转子按照转换成的大转矩加速。这种振动周期同输入脉冲的周期同步就会发生共振，这是步进电机的缺点。步进电机的共振频率，如果只有电动机的固有振动频率的数倍数，在50～300PPS左右产生共振，称低频共振；如接近电动机的电气常数的1000PPS左右的工作区域产生共振，称中频共振；再往上的高速范围发生共振称高频共振。8、温升a）静态温升：电机静止不动时，按规定的运行方式中最多的相数通额定静态电流，达到稳定热平衡状态时的温升。步进电机是一种效率不太高的机电能量转换器件，应该允许其长时间在静止不动的状态下通以额定电流，温升最高限度有绝缘等级决定。一般采用电阻法测量电机温升。b）动态温升：电机在某一频率下空载运行，按规定的时间进行工作，运行时间结束后电机达到的温升。和静态温升不同，静态温升仅与绕组的铜耗决定，而动态温升除铜耗外，铁耗也影响动态温升。9、转矩特性表示最大静转矩和单相通电时电流的关系。随着电流的增加，开始时，静转矩随电流变化线性增加，当电流增加到一定数值时，转矩便缓慢地增加呈线饱和趋势，继而不增加。10、惯频特性启动频率与负载惯量的关系叫做惯频特性。启动频率在负载转矩及其它条件不变的情况下，随着负载惯量的增加而下降。四、步进电机运转方式步进电机的励磁所谓励磁就是让电流流过线圈，使定子极磁化，只要不断交替转换励磁就能够使电机旋转。二相电动机的励磁方式，常见的有如下4中：1） 1相励磁方式2） 2相励磁方式3） 1—2相励磁方式除此之外还有双1—2相励磁方式，这是微步进励磁中步进角最粗的特殊情况。1、1相励磁方式1相励磁方式电动机只有1相线圈，对这一相线圈依次通电励磁。由于这种方式在某些期间有线圈完全没有电流通过，所以电机的导体利用率比较低。缺点是产生转矩小，但反过来也带来了输入小、温升低的优点。2、2相励磁方式2相励磁方式是A和B相2个线圈同时励磁的方式，这是步进电机最常见的方法。3、1—2相励磁方式这1—2相励磁方式是1相励磁和2相励磁交替组成的励磁方式，1相励磁的稳定平衡点和2相励磁稳定平衡点电气角45°，及错开1/2基本步距角，所以用这种励磁方式可以使电机停在基本步距角的一半处。因而这种励磁方式又称半步进励磁。与此相对应基本步距角旋转的励磁方式也称为全步进励磁。用1—相励磁产生的转矩变动小，不易受到共振频率变化的影响，因此可以用这种方式解决振动的噪音的问题。1、电机名称及类型步进电机(12VDC)MP20**——U尊、U2分体机上下扫风MP24**——主要用于分体机上下、左右扫风MP28**——主要用于分体机上下扫风MP35**——主要用于柜机上下、左右扫风MP50**——主要用于LD、I尊系列MP——永磁式步进电机的英文缩写(permanentmagnettype)，又成PM步进电机；20、35——步进电机的规格，20电机表示电机外圆为Φ20mm，35电机表示外圆为35mm；常用电机：MP20AC、MP24AA、MP24HC、MP28VB、MP35AA、MP50AC等等，后面两个字母为产品代号。五、公司常用步进电机介绍2、步进电机性能指标主要性能指标温升(≤40K)转速自定位转矩牵入转矩摩擦转矩空载牵入频率空载牵出频率2、步进电机性能指标①、转速★步距角定义：给一个脉冲信号电机转子所应转过的角度。θb＝360°/m1zr其中zr：极板齿数或极对数；m1为电机运行拍数，四相八拍。转速计算(以50电机为例)：给一个脉冲时输出轴旋转角度=步距角/减速比，如：50电机为7.5°/60=0.125°。如果电机频率设定为200Hz，电机转速为：n=(0.125°X200HzX60秒)/360°=4.17rpm电机型号MP20MP24MP28MP35MP50步距角7.5°5.625°5.625°7.5°7.5°电机减速比1/851/641/641/851/1301/60②、自定位转矩★定义：电机在不通电状态下，依靠自身齿轮间的摩擦力和磁钢吸引力，保持电机处于平衡状态的阻力。测试方法：电机不通电，用扭力表将转矩加到输出轴上，缓慢转动扭力表，直到输出轴开始旋转，此时扭力表上所显示的数据即为自定位力矩。选型要求：自定位力矩必须是所需力矩的1.2倍以上。如分体机导风板运行所需力矩为7N.cm，电机自定位力矩必须≥8.4N.cm，才能保证在扫风定格或突然断电状态下，导风板保持在平衡状态。注意：自定位力矩并非越大越好，自定位力矩过大时，人为扳动导风板，电机内部齿轮所承受的冲击力也越大，存在断齿风险。电机型号MP20MP24MP28MP35MP50自定位转矩N.cm≥4.4≥5≥6≥9≤85③、牵入转矩★定义：电机在额定电压、额定频率下，输出轴端所能产生的最大转矩。测试方法：电机加额定电压，频率分别为100Hz和200Hz，采用预置脉冲数或其它能检查失步的方法，先加上一定的负载，然后从锁定状态突然启动，测出转子在三个不同位置的正反两个转向的不失步的最大转矩。选型注意：1、牵入力矩必须是运动机构运行所需力矩的1.5倍以上；2、电机带载运行时的频率不能超过200步/S。电机型号MP20MP24MP28MP35MP50100Hz牵入转矩N.cm≥6≥7≥9≥7≥13≥17≥45200Hz牵入转矩N.cm≥4.5≥6≥7.5≥6≥10≥15≥30④、摩擦转矩★定义：电机摩擦机构所产生的最大力矩。测试方法：电机通额定电压(12VDC)，锁相状态下，用力矩盘将转矩加到输出轴上，使输出轴开始连续旋转时的力矩即为摩擦力矩。选型注意：在任何状态下，电机必须保证摩擦力矩大于牵入力矩。注意：并非所有电机都有摩擦机构的。电机型号MP20MP24MP28MP35MP50末两级齿轮材料金属塑料金属塑料金属塑料金属塑料金属塑料摩擦转矩N.cm耐久实验前11.7～39.26～29.411.7～39.26～29.411.7～39.26～29.419.6～58.810～44.1/93.1～132.3耐久实验后6.86～3.925～29.46.86～3.925～29.46.86～39.25～29.414.7～58.87.84～44.1无摩擦机构45～132.3⑤、空载牵入频率定义：电机空载，加额定电压，采用预置脉冲数或其它能检查失步的方法，使电机从锁定状态突然起动，测出转子在正反两个转向下能不失步的最高牵入频率。⑥、空载牵出频率定义：电机空载，加额定电压，逐渐升高脉冲频率，采用能检查失步的方法，测出电机在正反两个转向的能不失步的最高频率。电机型号MP20MP24MP28MP35MP50空载牵入频率Hz≥500≥500≥500≥350≥200空载牵出频率Hz≥800≥1000≥1000≥800≥400摩擦机构作用：起过载保护作用。当电机输出轴受外界冲击或过载时，摩擦机构打滑，从而保护电机内部的传动齿轮不被破坏。电机在正常情况下摩擦机构是不会起作用的。结构：由摩擦片1、弹簧片或摩擦片2、齿轮片组成。（见附图）六、摩擦机构打滑原理其他如何提高步进电机力矩①、提高电压法②、降低电阻法③、减少脉冲法④、增大减速比谢谢！！