步進電機簡介

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上               步進電機簡介     步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 

2、60;  步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）    永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；    反應(yīng)式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰；    混合式步進是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。 一.工作原理（一）反應(yīng)式步進電機1、結(jié)構(gòu)：  &

3、#160; 電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒（1，2，3，4，5），電機定子有三個勵磁繞阻（A，B，C），A與齒1相對齊，B與齒2錯開1/3，C與齒3錯開2/3，A與齒5相對齊.。將定子和轉(zhuǎn)子展開如下2、旋轉(zhuǎn)：    如A相通電，B、C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊；如B相通電，A、C相不通電時，齒2應(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3，此時齒3與C偏移為1/3，齒4與A偏移2/3；如C相通電，A、B相不通電，齒3應(yīng)與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3，此時齒4與A偏移為1/3對齊；如A相通電，B、C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3。 這樣經(jīng)過A、B、C

4、、A分別通電，齒4移到A相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按A、B、C、A.通電，電機就向右旋轉(zhuǎn)；如按A、C、B、A通電，電機就向左轉(zhuǎn)。由此可見：電機的位置和速度由導(dǎo)電脈沖數(shù)和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系，而方向由導(dǎo)電順序決定。    不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮，往往采用A-AB-B-BCC-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3改變?yōu)?/6。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3變?yōu)?/12，1/24，這就是電機細(xì)分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。但經(jīng)過理論分析及大量的實驗證明：細(xì)分?jǐn)?shù)如果超過10，電機帶負(fù)載后，就會產(chǎn)生跳步和失步現(xiàn)象。 &

5、#160;  不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制這是步進電機旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。  3、力矩：    電機一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量）。當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度時，產(chǎn)生的吸引力 F=K*d/d成正比。其中磁通量=Br*S（Br=N*I/R為磁密，S為導(dǎo)磁面積，N*I為勵磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻） ，為

6、錯齒量，K為系數(shù)。可見，F(xiàn)與L*D*Br成正比（ L為鐵芯有效長度，D為轉(zhuǎn)子直徑）。    力矩=F*D/2，因此，力矩與電機有效體積*安匝數(shù)*磁密成正比（設(shè)為線性狀態(tài)），即電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。（二）感應(yīng)子式步進電機（永磁式）1、特點：    感應(yīng)子式步進電機與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進電機相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較

7、好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。    感應(yīng)子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行（必須采用雙極電壓驅(qū)動），而反應(yīng)式電機則不能如此。    例如：四相，八相運行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為C=,D=。    一個二相電機的內(nèi)部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣

8、使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。2、分類    感應(yīng)子式步進電機以相數(shù)可分為：二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。以機座號（電機外徑）可分為：42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進電機代號）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標(biāo)準(zhǔn)），而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。3、步進電機的靜態(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，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角

9、所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。    步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。    每轉(zhuǎn)步數(shù)：電機每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)所轉(zhuǎn)過的步數(shù)。    定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖

10、定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。    保持扭矩：電機繞組通電不轉(zhuǎn)動時的最大輸出扭矩值。     工作扭矩：電機繞組通電轉(zhuǎn)動時的最大輸出扭矩值。注意：保持扭距比工作扭矩大，選電機是要以工作扭矩為選擇依據(jù)。    靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（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

11、靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。4、步進電機動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語：    1、步距角精度：步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi)。    2、失步：電機運轉(zhuǎn)時運轉(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，電機運轉(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

12、：電機在某種驅(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、最大空載的運行頻率：電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。這個速度遠(yuǎn)大于啟動頻率。    6、運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。如下左圖所示：    其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。    電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電

13、機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。如上右圖所示。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)載的交點為負(fù)載的最大速度點。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。    7、電機的共振點：步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進電機的共振區(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），電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負(fù)載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然。為使電機輸出電矩大，不失步

14、和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)遠(yuǎn)離共振區(qū)。    現(xiàn)在，步進電機的發(fā)展非常迅速，如德國百格拉公司的交流伺服電機運行性能的步進電機系統(tǒng)，其三相混合式步進電機采用交流伺服原理工作，運用特殊精密機械加工工藝，使步進電機定子和轉(zhuǎn)子之間間隙僅為50um，轉(zhuǎn)子和定子的直徑比提高到59%，大大提高了電機工作扭矩，特別是高速時的工作扭矩。由于定子和轉(zhuǎn)子上磁槽數(shù)遠(yuǎn)多于五相和兩相混合式步進電機，使三相混合式步進電機可以按五相和兩相混合式步進電機的步數(shù)進行工作。電機的扭矩僅與轉(zhuǎn)速有關(guān)，而與電機每轉(zhuǎn)的步數(shù)無關(guān)，例如：2Nm電機在每轉(zhuǎn)500步和10000步，800轉(zhuǎn)/分時的扭矩都是1

15、.75Nm。在低速時運行極其平穩(wěn)，幾乎無共振區(qū)，高速時扭矩大，運行特性類同交流伺服電機。二.步進電機選用（一）力矩與功率計算    步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：                P= ·M           &#

16、160;    =2·n/60                P=2nM/60其中P為功率單位為瓦，為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓·米。                P=2fM/400(半步工作）其中f為每秒脈沖數(shù)（簡

17、稱PPS)（二）步進電機的選擇    步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。    1、步距角的選擇     電機的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機軸上，每個當(dāng)量電機應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度 （三相電機）等。    2

18、、靜力矩的選擇     步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負(fù)載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負(fù)載，恒速運行進只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。    3、電流的選擇    靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓）    綜上所述選擇電機一般應(yīng)遵循以下步驟：三.應(yīng)用中的注意點    1、步進電機應(yīng)用于低速場合-每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。    2、步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。