步進電機培訓教材ppt課件

1、步進電機培訓教材.課程目錄：1、步進電動機概述；2、永磁式步進電機機構(gòu)及任務(wù)原理爪極型3、步進電機的特性；4、步進電機運轉(zhuǎn)方式；5、公司常用步進電機引見；6、摩擦機構(gòu)打滑原理 ； .一、步進電動機概述 1.1步進電機及其開展 步進電動機stepping motor又稱脈沖電動機、脈動電動機、分級電動機；更老一些叫法也叫階躍電動機。國外普通稱為Step motor或Stepping motor、Pulse motor、Stepper servo、Stepper等等。 目前，隨著電子技術(shù)以及電動機本體的開展和變化，傳統(tǒng)電機分類間的界面越來越模糊。就傳統(tǒng)的步進電機來說中，步進電機可以簡單的定義為，根

2、據(jù)輸入的脈沖信號，每改動一次勵磁形狀前進一定角度(或長度)，假設(shè)不改動勵磁形狀那么堅持一定位置而靜止的電動機。從廣義上講，步進電動機是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電動機，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的同步電動機。. 1.2步進電動機的機理 步進電動機的機理是基于根本的電磁鐵作用，其原始模型來源于1830年至1860年間，1870年前后開場以控制為目的的嘗試，運用于氬弧燈的電極保送機構(gòu)中。這被以為是最初步進電動機。以后，在自動交換機中廣泛運用了步進電動機。不久又在缺乏交流電源的船舶和飛機等系統(tǒng)中廣泛運用。 20世紀60代后期，在步進電動機本體方面隨著永磁資料的開展，各種適

3、用性步進電動機應(yīng)運而生，而半導(dǎo)體技術(shù)的開展那么推進了步進動機在眾多領(lǐng)域的運用。在近30年間，步進電動機迅速地開展并成熟起來。從開展趨向來講，步進電動機曾經(jīng)能和直流電動機異步電動機，以及同步電動機并列，從而成為電動機的一種根本類型。. 1.3步進電機開展歷史 我國步進電機的研討及制造起始于20世紀50年代后期。而進入20世紀有關(guān)步進電動機的發(fā)明不斷出現(xiàn)。最初美國的Andrew T MacCoy發(fā)明了電動打字機用的步進電動機，這是一種帶逆轉(zhuǎn)輪的構(gòu)造的永磁步進電動機，步距角為30這種電動機獲得了1907年美國專利。1923年蘇格蘭的James Weir French發(fā)明了VR三相步進電動機。 這種電

4、動機以規(guī)定的次序?qū)Χㄗ泳€圈勵磁，每次只轉(zhuǎn)動一定的角度。這種電動機主要特點如下：.1控制電路步進電動機的驅(qū)動控制電路是將脈沖分配到各相線圈對數(shù)控機器的順應(yīng)性中去的邏輯分配電路，或者是對線圈提供勵磁的驅(qū)動開關(guān)電路。這種電路同其他伺服控制電路相比較是很簡單。2對數(shù)控機器的順應(yīng)性步進電動機很容易同運用微機的設(shè)備組合起來，優(yōu)點是對旋轉(zhuǎn)角度、速度、正反轉(zhuǎn)；啟動停頓等動作的控制準確、迅速。.3定位控制 直流電動機等伺服電動機進展定位控制時，使轉(zhuǎn)子堅持在某一角度，一定要不延續(xù)通電，以到達制動作用。而步進電機只需維持勵磁就能得到堅持轉(zhuǎn)矩。永磁型、混合型步進電動機即使切斷勵磁也能得到定位轉(zhuǎn)矩；因此，用步進電動機實

5、現(xiàn)準確的定位控制既簡單、本錢又低。4步距角誤差步進電動機的角度誤差通常是根本步距角的5%左右，因此輸入脈沖沒有積累誤差，所以定位精度很高。. 5低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩 步進電動機與其他類似電動機比較，是屬于低速、高轉(zhuǎn)矩電動機。其他伺服電動機的任務(wù)轉(zhuǎn)速在1000rpm以上，而以每秒1000個脈沖的速度來驅(qū)動1.8的步進電動機時轉(zhuǎn)速只需300rpm，以它是屬于低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩的電動機。6速度可變控制 步進電機的旋轉(zhuǎn)角度同輸入脈沖成正比，旋轉(zhuǎn)速度同輸入的脈沖頻率成正比，只需簡單的改動脈沖速率，就能到達大幅度控制速度變化的目的。.步進電機除了軸承以外沒有電刷、換向器等磨損部件，無須特殊的維修保養(yǎng)，是可靠性高壽命

6、長的電動機。 7可靠性高8穩(wěn)定性差(共振)步進電動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的位置而變化，而每次勵磁都會引起轉(zhuǎn)矩的動搖，所以速率的動搖比較大。另外電動機的轉(zhuǎn)矩和慣量決議著電動機固有的頻率和驅(qū)動脈沖速率，同步進電動機安裝的固有的振動之間引起共振，而產(chǎn)生共振噪音，這是一大缺陷。.1.4步進電動機的分類 根據(jù)步進電動機的構(gòu)造可以分為三大類1磁阻式步進電動機Variable-reluctance type2永磁式步進電動機permanent magnet type3 混合式步進電動機hybrid type.永磁式步進電機：也稱PM步進電機，轉(zhuǎn)子采用永磁磁鋼。這種步進電機定子采用沖壓方式加工成爪型齒極，轉(zhuǎn)

7、子采用徑向多極充磁的永磁磁鋼。這種電動機本錢低廉。混合式步進電機：也稱BH型，是VR型和PM型的結(jié)合方式。它在VR型電動機的轉(zhuǎn)子或者定子上配置永磁磁鋼，由于氣隙部分偏置梢加正電壓或負電壓磁場，所以輸出軸轉(zhuǎn)矩上升，提高效率。 磁阻式步進電機：這種步進電機磁阻是可變的，也稱VR型步進電機。追溯歷史在19世紀中期，這種步進電機的構(gòu)造是最根底的。定子和轉(zhuǎn)子上配置有一定間距的突極，當對線圈勵磁時，定子和轉(zhuǎn)子的突極相互吸引成直線狀，利用這一原理獲得步進式轉(zhuǎn)矩。每一相突極分別錯開一定的軸相角度重疊陳列。.二、永磁式步進電機機構(gòu)及任務(wù)原理爪極型 1.永磁步進電機構(gòu)造： 永磁爪極步進電機的典型構(gòu)造如圖1所示。整

8、個電動機定轉(zhuǎn)子的軸向均分為兩段，中間由隔磁片隔開，兩段相互間叉開一個步距角，每段均由定子，轉(zhuǎn)子以及套在定子的一個環(huán)形繞組所組成。每段定子內(nèi)孔圓周上的極片呈爪形作環(huán)形對稱陳列，外面并繞兩套反向串聯(lián)的環(huán)形繞組，定子兩段環(huán)形磁鋼同向同軸結(jié)合徑向充磁。.通電順序：AAB B BA- A- A-B- B- B-A.2.步進電機任務(wù)原理：設(shè)上段兩反向繞組分別為A，A-兩相，其中下段兩反向繞組分別為B，B-兩相，當在AO和BO兩相繞組通電時，同一段內(nèi)相領(lǐng)極片呈相反極性，轉(zhuǎn)子在定子極片處于圖2a所示的平衡 位置。當把A，B相通電轉(zhuǎn)換成AO，B-O兩相通電后，這是B段定子極片極性全部反向。轉(zhuǎn)子將向左挪動一步，如

9、圖2(b)所示.假設(shè)繼續(xù)改動通電形狀，即由ABAB-A-B-AB轉(zhuǎn)子就會步進旋轉(zhuǎn)，假設(shè)改動通電順序ABA-BA-B-AB那么電機反向旋轉(zhuǎn)。 .三、步進電機的特性 1、靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性 a.堅持轉(zhuǎn)矩：是指步進電機在勵磁形狀，用外力旋轉(zhuǎn)輸出軸時，抗拒外力所產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩。堅持轉(zhuǎn)矩也叫最 大靜止轉(zhuǎn)矩、最大堅持轉(zhuǎn)矩、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。 堅持轉(zhuǎn)矩大小隨勵磁電流的大小、勵磁方式不同而不同。同一電動機二相勵磁比起一相勵磁通常堅持轉(zhuǎn)矩大1.4倍，但不能誤以為通電相數(shù)越多，合成轉(zhuǎn)矩越大。由于轉(zhuǎn)矩受電源參數(shù)及電流大小的影響，會出現(xiàn)通電相數(shù)少時的轉(zhuǎn)矩反而比通電相數(shù)多時大。步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化范圍較寬，又受電源構(gòu)造的影響，很

10、難用功率表示步進電機的力能目的，而只能給出最大靜轉(zhuǎn)矩值。. b.自定位轉(zhuǎn)矩：在電動機中運用永磁的PM型步進電機、HB型步進電機，即使沒有勵磁電流，由于磁鋼所產(chǎn)生的磁場也會有繼續(xù)作用于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩使之處于一個穩(wěn)定平衡形狀。 在這沒有勵磁形狀下，從外部對輸出軸施加轉(zhuǎn)矩時，而產(chǎn)生的最大值稱為自定位轉(zhuǎn)矩detent torque。自定位轉(zhuǎn)矩也稱為無勵磁堅持轉(zhuǎn)矩或剩余轉(zhuǎn)矩residual torque。 .2、動態(tài)轉(zhuǎn)矩特性a.牽入轉(zhuǎn)矩特性： 所謂牽入轉(zhuǎn)矩pull-in-torque characteristics就是一種負載轉(zhuǎn)矩,詳細做法是用在直接銜接在輸出軸的滑輪上垂吊砝碼的方法對軸加上負載,再交替加上

11、驅(qū)動脈沖、停頓，使電動機一會兒啟動，一會兒停頓，這時電動機不得不有誤動所測得的臨界轉(zhuǎn)矩。換而言之假設(shè)添加了所吊砝碼的分量，就要引起電動機誤轉(zhuǎn)動，這時求得的臨界轉(zhuǎn)矩；表示驅(qū)動脈沖同臨界轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系的這種特性稱牽入轉(zhuǎn)矩。 b.最大自啟動頻率：在空載形狀下，最快的脈沖速率電動機就不能啟動了，這種臨界速度即為最大自啟動頻率。步進電機運轉(zhuǎn)速度大多用脈沖速度表示，詳細就是用在單位時間內(nèi)施加的脈沖數(shù)PPS表示。.c.牽出轉(zhuǎn)矩特性：牽出轉(zhuǎn)矩特性也叫牽出特性、轉(zhuǎn)換特性。詳細就是首先以一定負載使電動機自啟動，然后逐漸提高輸入到電動機的脈沖速率，當脈沖速率提高到某一速率時就會引起電動機誤動或者停轉(zhuǎn)，牽出轉(zhuǎn)矩特性就是

12、表示這一臨界脈沖和負載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系的特性。 d.最大呼應(yīng)頻率：當空載時，脈沖速度超越此頻率電動機就不能呼應(yīng)，稱這一脈沖速率為要求牽出轉(zhuǎn)矩曲線時，先使電機啟動，堅持一定的輸入脈沖速度不變，逐漸添加負載轉(zhuǎn)矩直到電機停頓轉(zhuǎn)動，這時求得臨界轉(zhuǎn)矩值，可以得到同樣的特性曲線稱這一曲線上的轉(zhuǎn)矩為牽出轉(zhuǎn)矩，這一值一定比牽入轉(zhuǎn)矩高。稱牽出轉(zhuǎn)矩和牽入轉(zhuǎn)矩之間的范圍為任務(wù)區(qū)域，在這一區(qū)域內(nèi)運轉(zhuǎn)時必需留意當改動脈沖速率時，不會因誤步或共振而引起失步。.這就是說,電機延續(xù)轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的最大輸出轉(zhuǎn)矩T是隨著脈沖頻率f的升高而減小的。T與f兩者間的關(guān)系曲線稱之為步進電機運轉(zhuǎn)頻率特性。3、矩頻特性矩頻曲線.呼應(yīng)特性：步進電機

13、運轉(zhuǎn)時，是一邊振動一邊旋轉(zhuǎn)的，停頓時是先過沖后再一邊作衰減振動一邊停下來。稱表示這種旋轉(zhuǎn)震蕩過程的特性為呼應(yīng)特性。單步呼應(yīng)特性：其中只輸入一個脈沖時旋轉(zhuǎn)震蕩結(jié)果的特性叫，輸入延續(xù)脈沖時的呼應(yīng)特性稱為延續(xù)呼應(yīng)特性。這種呼應(yīng)特性也叫動特性，為了防止共振、振動應(yīng)采取最適宜的運轉(zhuǎn)方式，這是非常重要的特性。4、呼應(yīng)特性延續(xù)呼應(yīng)特性： 步進電機應(yīng)隨脈沖信號旋轉(zhuǎn)，應(yīng)根據(jù)輸入的脈沖速率按比例變化旋轉(zhuǎn)。但是由于轉(zhuǎn)子、負載的慣量，轉(zhuǎn)子的實踐動作總要比脈沖速率早一點或遲一點，有時跟不上脈沖信號的變化會失步。.5、共振特性 步進電機每輸入一次脈沖目的穩(wěn)定點就會改換，不斷的產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)矩，一邊牽引著負載轉(zhuǎn)矩一邊繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。

14、當接近目的位置，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也變小，然后又有新的脈沖輸入，轉(zhuǎn)子按照轉(zhuǎn)換成的大轉(zhuǎn)矩加速。這種振動周期同輸入脈沖的周期同步就會發(fā)生共振，這是步進電機的缺陷。步進電機的共振頻率，假設(shè)只需電動機的固有振動頻率的數(shù)倍數(shù)，在50300PPS左右產(chǎn)生共振，稱低頻共振；如接近電動機的電氣常數(shù)的1000PPS左右的任務(wù)區(qū)域產(chǎn)生共振，稱中頻共振；再往上的高速范圍發(fā)生共振稱高頻共振。.8、溫升a靜態(tài)溫升：電機靜止不動時，按規(guī)定的運轉(zhuǎn)方式中最多的相數(shù)通額定靜態(tài)電流，到達穩(wěn)定熱平衡形狀時的溫升。步進電機是一種效率不太高的機電能量轉(zhuǎn)換器件，應(yīng)該允許其長時間在靜止不動的形狀下通以額定電流，溫升最高限制有絕緣等級決議。普通采用

15、電阻法丈量電機溫升。b動態(tài)溫升：電機在某一頻率下空載運轉(zhuǎn)，按規(guī)定的時間進展任務(wù)，運轉(zhuǎn)時間終了后電機到達的溫升。和靜態(tài)溫升不同，靜態(tài)溫升僅與繞組的銅耗決議，而動態(tài)溫升除銅耗外，鐵耗也影響動態(tài)溫升。.9、轉(zhuǎn)矩特性表示最大靜轉(zhuǎn)矩和單相通電時電流的關(guān)系。隨著電流的添加，開場時，靜轉(zhuǎn)矩隨電流變化線性添加，當電流添加到一定數(shù)值時，轉(zhuǎn)矩便緩慢地添加呈線飽和趨勢，繼而不添加。10、慣頻特性啟動頻率與負載慣量的關(guān)系叫做慣頻特性。啟動頻率在負載轉(zhuǎn)矩及其它條件不變的情況下，隨著負載慣量的添加而下降。.四、步進電機運轉(zhuǎn)方式步進電機的勵磁所謂勵磁就是讓電流流過線圈，使定子極磁化，只需不斷交替轉(zhuǎn)換勵磁就可以使電機旋轉(zhuǎn)。二

16、相電動機的勵磁方式，常見的有如下4中 ： 1 1相勵磁方式 2 2相勵磁方式 3 12相勵磁方式除此之外還有雙12相勵磁方式，這是微步進勵磁中步進角最粗的特殊情況。. 1、1相勵磁方式 1相勵磁方式電動機只需1相線圈，對這一相線圈依次通電勵磁。由于這種方式在某些期間有線圈完全沒有電流經(jīng)過，所以電機的導(dǎo)體利用率比較低。缺陷是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩小，但反過來也帶來了輸入小、溫升低的優(yōu)點。 2、2相勵磁方式 2相勵磁方式是A和B相2個線圈同時勵磁的方式，這是步進電機最常見的方法。. 3、12相勵磁方式 這12相勵磁方式是 1相勵磁和2相勵磁交替組成的勵磁方式，1相勵磁的穩(wěn)定平衡點和2相勵磁穩(wěn)定平衡點電氣角45，

17、及錯開1/2根本步距角，所以用這種勵磁方式可以使電機停在根本步距角的一半處。因此這種勵磁方式又稱半步進勵磁。與此相對應(yīng)根本步距角旋轉(zhuǎn)的勵磁方式也稱為全步進勵磁。用1相勵磁產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩變動小，不易遭到共振頻率變化的影響，因此可以用這種方式處理振動的噪音的問題。.1、電機稱號及類型步進電機(12VDC)MP20*U尊、U2分體機上下掃風MP24*主要用于分體機上下、左右掃風MP28*主要用于分體機上下掃風MP35*主要用于柜機上下、左右掃風MP50*主要用于LD、I尊系列MP永磁式步進電機的英文縮寫( permanent magnet type)，又成PM步進電機；20、35步進電機的規(guī)格，20電機

18、表示電機外圓為20mm，35電機表示外圓為35mm；常用電機：MP20AC、MP24AA、MP24HC、MP28VB、MP35AA、MP50AC等等，后面兩個字母為產(chǎn)品代號。五、公司常用步進電機引見.2、步進電機性能目的主要性能目的溫升(40K)轉(zhuǎn)速自定位轉(zhuǎn)矩牽入轉(zhuǎn)矩摩擦轉(zhuǎn)矩空載牽入頻率空載牽出頻率.2、步進電機性能目的、轉(zhuǎn)速步距角定義：給一個脈沖信號電機轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度。b360/m1zr 其中zr：極板齒數(shù)或極對數(shù)；m1為電機運轉(zhuǎn)拍數(shù)，四相八拍。電機型號MP20MP24MP28MP35MP50步距角7.55.6255.6257.57.5電機減速比1/851/641/641/851/130

19、1/60轉(zhuǎn)速計算(以50電機為例)：給一個脈沖時輸出軸旋轉(zhuǎn)角度=步距角/減速比，如：50電機為7.5/60=0.125。假設(shè)電機頻率設(shè)定為200Hz，電機轉(zhuǎn)速為：n=(0.125X200HzX60秒)/360=4.17rpm.、自定位轉(zhuǎn)矩定義：電機在不通電形狀下，依托本身齒輪間的摩擦力和磁鋼吸引力，堅持電機處于平衡形狀的阻力。測試方法：電機不通電，用扭力表將轉(zhuǎn)矩加到輸出軸上，緩慢轉(zhuǎn)動扭力表，直到輸出軸開場旋轉(zhuǎn)，此時扭力表上所顯示的數(shù)據(jù)即為自定位力矩。設(shè)計選型要求：自定位力矩必需是所需力矩的1.2倍以上。如分體機導(dǎo)風板運轉(zhuǎn)所需力矩為7N，電機自定位力矩必需8.4N，才干保證在掃風定格或忽然斷電形

20、狀下，導(dǎo)風板堅持在平衡形狀。留意：自定位力矩并非越大越好，自定位力矩過大時，人為扳動導(dǎo)風板，電機內(nèi)部齒輪所接受的沖擊力也越大，存在斷齒風險。電機型號MP20MP24MP28MP35MP50自定位轉(zhuǎn)矩N.cm4.456985.、牽入轉(zhuǎn)矩定義：電機在額定電壓、額定頻率下，輸出軸端所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩。測試方法：電機加額定電壓，頻率分別為100 Hz和200 Hz，采用預(yù)置脈沖數(shù)或其它能檢查失步的方法，先加上一定的負載，然后從鎖定形狀忽然啟動，測出轉(zhuǎn)子在三個不同位置的正反兩個轉(zhuǎn)向的不失步的最大轉(zhuǎn)矩。選型留意：1、牽入力矩必需是運動機構(gòu)運轉(zhuǎn)所需力矩的1.5倍以上； 2、電機帶載運轉(zhuǎn)時的頻率不能超越200步/S。電機型號MP20MP24MP28MP35MP50100Hz牽入轉(zhuǎn)矩N.cm6797131745200Hz牽入轉(zhuǎn)矩N.cm4.567.56101530.、摩擦轉(zhuǎn)矩定義：電機摩擦機構(gòu)所產(chǎn)生的最大力