步進電機原理all

1、永磁式步進電機原理2012年4月 1目 錄一、步進電機概述；二、永磁式步進電機結構及工作原理（爪極型）;三、步進電機常用術語四、步進電機的特性；五、步進電機主要性能參數(shù)；六、測試方法及規(guī)則；七、摩擦機構打滑原理；八、常見故障及改善對策；2一.步進電動機概述步進電機特點 步進電動機（stepping motor）也稱脈沖電動機、脈動電動機、分級電動機；更老一些叫法也叫階動電動機。步進電機是將電脈沖轉換成角位移位的一種執(zhí)行機構。3型號含意； 如：24 B Y J 4 8一.步進電動機概述電機直徑步進電機永磁式減速裝置4相8對極對數(shù)4二、永磁式步進電機機構及工作原理（爪極型）1. 結構 由定子、轉子

2、、減速箱三大部分組成永磁爪極步進電機的典型結構如圖1所示。整個電動機定轉子的軸向均分為兩段，中間由隔磁片隔開，兩段互相間叉開一個步距角，每均由定子，轉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)形對稱排列，外面并繞兩套反向串聯(lián)的環(huán)形繞組，定子兩段環(huán)形磁鋼同向同軸聯(lián)結徑向充磁。5步進電機結構圖6電機分解圖7電機定子由-線圈（線球）、機殼、中齒板、上齒板組成。電機定子極爪之間的間隙要均等，極爪之間不能短路。8電機轉子材料： 燒結鐵氧體、注塑鐵氧體、稀土釹鐵硼等電機轉子通過充磁分為8個極對數(shù)與定子的8爪相匹配電機轉子9定子與轉子的間隙與力的關系1、定子與轉子的間隙過大，電

3、機的輸出力及自定位力矩就會變小，出現(xiàn)吊力不良等現(xiàn)象。2、定子與轉子的間隙過小，就會出現(xiàn)轉子與定子容易擦殼，出現(xiàn)吊力不良、擦殼聲等現(xiàn)象。10二、永磁式步進電機機構及工作原理2. 工作原理設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)相領極片呈相反極性，轉子在定子極片處于圖3（a）所示的平衡 位置。11永磁爪極步進電機工作原理圖當把A，B相通電轉換成AO，B-O兩相通電后，這時定子極片極性全部反向。轉子將向右移動一步，如圖3(b)所示.如果繼續(xù)改變通電狀態(tài)，即由ABAB-A-B-AB轉子就會步進旋轉，若改變通電順序ABA-BA-B-

4、AB則電機反向旋轉。12永磁爪極步進電機工作原理圖13三、步進電動機的常用術語 1、步距角： 指每給一個電脈沖信號電動機轉子應轉過的角度的理論值。步距角（）：b =360/m1p 式中 P-轉子極對數(shù)； m1-動行拍數(shù)，通常等于相數(shù)或相數(shù) 的整數(shù)倍，即 m1=km; m-電動機相數(shù)。 2、轉速 通常指轉子運轉一周的速度（減速步進電機指輸出軸速度） 轉速（RPM）: n=f b /6 式中：f=電源頻率 b = 步距角 14三、步進電機的常用術語 3、靜態(tài)轉矩特性 （a）保持轉矩(holding torque)是指步進電機在勵磁狀態(tài)，用外力旋轉輸出軸時，抗拒外力所產(chǎn)生的最大轉矩。保持轉矩也叫最大

5、靜止轉矩、最大保持轉矩、堵轉轉矩。 保持轉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保持轉矩大1.4倍，但不能誤認為通電相數(shù)越多，合成轉矩越大。由于轉矩受電源參數(shù)及電流大小的影響，會出現(xiàn)通電相數(shù)少時的轉矩反而比通電相數(shù)多時大。步進電機的轉速和轉矩變化范圍較寬，又受電源結構的影響，很難用功率表示步進電機的力能指標，而只能給出最大靜轉矩值。15 （b）自定位轉矩：在電動機中使用永磁的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)生的磁場也會有持續(xù)作用于轉子的轉矩使之處于一個穩(wěn)定平衡狀態(tài)。 在這沒有勵磁狀態(tài)下，從外部對輸出軸施加轉矩時，而產(chǎn)生的最大

6、值稱為自定位轉矩（detent torque）。自定位轉矩也稱為無勵磁保持轉矩或剩余轉矩（residual torque）。 4、動態(tài)轉矩特性（dynamic torque characters ） (a) 牽入轉矩特性 所謂牽入轉矩（pull-in-torque characteristics）就是一種負載轉矩,具體做法是用在直接連接在輸出軸的滑輪上垂吊砝碼的方法對軸加三、步進電機的常用術語16 上負載,再交替任意加上驅動脈沖、停止，使電動機一會兒啟動，一會兒停止，這時電動機不得不有誤動所測得的臨界轉矩。換而言之如果增加了所吊砝碼的重量，就要引起電動機誤轉動，這時求得的臨界轉矩；表示驅動脈沖

7、同臨界轉矩之間關系的這種特性稱牽入轉矩。 在空載狀態(tài)下，究竟多快的脈沖速率電動機就不能啟動了，這種臨界速度稱最大自啟動頻率（max starting frequency）。步進電機運轉速度大多用脈沖速度表示，具體就是用在單位時間內(nèi)施加的脈沖數(shù)（PPS）表示。三、步進電機的常用術語17 (b) 牽出轉矩特性 牽出轉矩特性（pull-out-torque characteristics）也叫牽出(pull in)特性、轉換(slewing)特性。具體就是首先以一定負載使電動機自啟動，然后逐步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，牽出轉矩特性就是表示這一臨

8、界脈沖和負載轉矩之間的關系的特性。 當空載時，脈沖速度超過此頻率電動機就不能響應，稱這一脈沖速率為最大響應頻率（max response frequency）要求牽出轉矩曲線時，先使電機啟動，保持一定的輸入脈沖速度不變，逐漸增加三、步進電機的常用術語18 負載轉矩直到電機停止轉動，這時求得臨界轉矩值，可以得到同樣的特性曲線稱這一曲線上的轉矩為牽出轉矩，這一值肯定比牽入轉矩高。稱牽出轉矩和牽入轉矩之間的范圍為工作區(qū)域，在這一區(qū)域內(nèi)運轉時必須注意當改變脈沖速率時，不會因誤步進或共振而引起失步。 三、步進電機的常用術語195、響應特性 步進電機運轉時，只要看一看旋轉角度（rad）、旋轉角速度（rad

9、/s）隨時間的推移是如何變化的，就明白轉子是一邊振動一邊旋轉的，停止時是先過沖后再一邊作衰減振動一邊停下來。稱表示這種旋轉震蕩過程的特性為響應特性，其中只輸入一個脈沖時旋轉震蕩結果的特性叫單步響應特性，輸入連續(xù)脈沖時的響應特性稱為連續(xù)響應特性。這種響應特性也叫動特性，為了防止共振、振動應采取最合適的運轉方式，這是十分重要的特性。單步響應特性，圖中所示是靜態(tài)轉矩和單步響應的關系，當輸入一次脈沖轉子向目標平衡點（A），當?shù)竭_A點時由于轉子慣量不能馬上停止，而要略轉過頭。三、步進電機的常用術語20 （b）連續(xù)響應特性 步進電機應隨脈沖信號旋轉，應根據(jù)輸入的脈沖速率按比例變化旋轉。但是由于轉子、負載的

10、慣量，轉子的實際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。6、共振特性 步進電機每輸入一次脈沖目標穩(wěn)定點就會更換，不斷的產(chǎn)生新的轉矩，一邊牽引著負載轉矩一邊持續(xù)旋轉。當接近目標位置，產(chǎn)生的轉矩也變小，然后又有新的脈沖輸入，轉子按照轉換成的大轉矩加速。這種振動周期三、步進電機的常用術語21 同輸入脈沖的周期同步就會發(fā)生共振，這是步進電機的缺點。步進電機的共振頻率如果只有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左右的工作區(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。7、矩角特性步進電機轉

11、子離開平衡位置后所具有恢復轉矩，隨著轉角偏移而變化。步進電機靜轉矩與失調(diào)角的關系稱為矩角特性。假設其按正弦規(guī)律變化，用數(shù)字公式表示如下： T=-TKsine三、步進電機的常用術語22 TK-最大靜轉矩（N.m）e-用電角度表示的位移角()。8、角度精度特性： 特別對于用作定位控制的步進電機，角度精度是個十分重要的特性，因為這一精度直接影響到裝置本身的性能，可以用這一精度來判定裝置是否合格。（a）靜態(tài)角度精度（Positional accuracy）也叫作靜止位置精度，理論上是用偏離靜止位置的誤差來表示的。具體做法是在電機的輸出軸上加一個對于評價精度有足夠分解力的編碼器，當從任何位置使電機旋轉N

12、步時，理論上的全部旋轉角度NX（基本步距角）同實際從編碼器測得的旋轉角度之間的誤差用曲線表示，其最大值Qmax和最?。ㄘ撟畲笾担┤?、步進電機的常用術語23 Qmax之間的1/2幅度，再用%來表示這就是靜止角度精度。另外也有用角度來表示靜止角度精度。b）步距角精度（step accuracy）也叫領接角度精度、步進精度。是評價一步距實際測得角度和理論角度（基本步距角）之間的偏差精度。具體的計算方法是從任意位置，一步一步地使電動機旋轉360，實際測出每一步的旋轉位置，再在每一步中算出領接的實際旋轉角度n，最后求出n和理論步距角Qs之間的差dn.。三、步進電機的常用術語24 9、溫升（a）靜態(tài)溫升：

13、電機靜止不動時，按規(guī)定的運行方式中最多的相數(shù)通額定靜態(tài)電流，達到穩(wěn)定熱平衡狀態(tài)時的溫升。步進電機是一種效率不太高的機電能量轉換器件，應該允許其長時間在靜止不動的狀態(tài)下通以額定電流，溫升最高限度有絕緣等級決定。一般采用電阻法測量電機溫升。（b）動態(tài)溫升：電機在某一頻率下空載運行，按規(guī)定的時間進行工作，運行時間結束后電機達到的溫升。和靜態(tài)溫升不同，靜態(tài)溫升僅與繞組的銅耗決定，而動態(tài)溫升除銅耗外，鐵耗也影響動態(tài)溫升。三、步進電機的常用術語2510、轉矩特性：表示最大靜轉矩和單相通電時電流的關系。隨著電流的增加，開始時，靜轉矩隨電流變化線性增加，當電流增加到一定數(shù)值時，轉矩便緩慢地增加呈線飽和趨勢，繼

14、而不增加。11、慣頻特性 啟動頻率與負載慣量的關系叫做慣頻特性。啟動頻率在負載轉矩及其它條件不變的情況下，隨著負載慣量的增加而下降。三、步進電機的常用術語26四、步進電機運轉方式.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，只要不斷交替轉換勵磁就能夠使電機旋轉。二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。27 1、1相勵磁方式 1相勵磁方式電動機只有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通過，所以電機的導體利用率比較低

15、。缺點是產(chǎn)生轉矩小，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。四、步進電機運轉方式.28 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，及錯開1/2基本步距角，所以用這種勵磁方式可以使電機停在基本步距角的一半處。因而這種勵磁方式又稱半步進勵磁。與此相對應基本步距角旋轉的勵磁方式也稱為全步進勵磁。用1相勵磁產(chǎn)生的轉矩變動小，不易受到共振頻率變化的影響，因此可以用這種方式解決振動的噪音的問題。四、步進電機運轉方式.29五、步進電

16、機主要性能參數(shù)；1.電性能：(electric performance) 1）相數(shù)（number of phase） 2）驅動方式(drive model) 3）步距角(step angle) 4）額定電壓(voltage) 5）直流電阻(resistance of per phase) 6）最大空載牽出頻率(max response frequency) 7）最大牽入頻率(max response frequency) 8）牽入轉矩(put in torque) 9）絕緣電阻(insulation resistance) 10) 絕緣介電強度(dielectric break down of

17、 insulation)30五、步進電機主要性能參數(shù) 11) 絕緣等級 12) 溫升(temperature of motor bobbin coil) 2.機械性能:(mechanical performance) 1)外觀(outside view) 2)電機結構及外形尺寸(motor structure and size) 3)重量(weight) 4)摩擦轉矩(frictional torque of output shaft) 5)噪音(noise level) 6)輸出軸機械強度(output shaft mechanical strength) 7) 引出線強度(lead wir

18、e strength) 8) 自定位轉矩(detent torque)31六、測試方法及規(guī)則： 1.試驗電源 a)輸出電壓波動不超過2%； b)電壓波動系數(shù)不大于5%； c)各相靜態(tài)電流不平衡不大于2%。 2直流電阻 試驗后的電機在常溫下放置到穩(wěn)定溫度（不少于2h）后，用電阻測量儀測量每相繞組的直流電阻，按式（1）換算到25時的直流電阻。（計算公式見式1） 式1: R=Rt/ 1+(t-25)- (1)32六、測試方法及規(guī)則： R 溫度為25時的繞組直流電阻， ； Rt - 溫度為t時的繞組直流電阻， ； 溫度系數(shù)，銅導線=0.004， 1/ ； t -測量繞組直流電阻Rt時的室溫, 。3最大

19、空載牽入頻率 電機空載，加額定電壓，采用預置脈沖數(shù)或其它能檢查失步的方法，使電機從鎖定狀態(tài)突然起動，測出轉子在三個不同位置的正反兩個轉向的最高牽入頻率。4最大空載牽出頻率33六、測試方法及規(guī)則： 電機空載，加額定電壓，逐漸升高脈沖頻率，采用能檢查失步的方法，測出電機在正反兩個轉向的能不失步的最高牽出頻率。5牽入轉矩 電機加額定電壓、額定頻率，采用預定脈沖數(shù)或其它能檢查失步的方法，先加上一定的負載，然后從鎖定狀態(tài)突然起動，測出轉子在三個不同位置的正反兩個轉向的不失步的最大轉矩。 6自定位轉矩 電機不通電，用力矩表將轉矩加到輸出軸上，緩慢增加轉矩，直到輸出軸開始連續(xù)旋轉前的最大轉矩。34六、測試方法及規(guī)則：7摩擦轉矩 電機兩相加額定電壓鎖定轉子，用力矩表將力矩加到輸出軸上，使輸出軸開始連續(xù)旋轉時的力矩。8溫升 電機在常溫常濕下放置到穩(wěn)定溫度（不小于2h）后，測量繞組的直流電阻R1和此時的室溫t1，然后電機加額定電壓，頻率為100Hz空載運行到穩(wěn)定溫度（不小于2h）后，測量同一繞組和直流電阻R2和此時的室溫t2，溫升按式（2）計算。（計算公式見式2） 式2： 35六、測試方法及規(guī)則：= （R2-R1）/R1 (235+t1)+（t1-t2）- ( 2 ) 電機溫升， K； R2