步進電機及控制技術(shù)分享20231212董玉超

步進電機及控制技術(shù)分享匯報人：董玉超日期：2023/12/12故障現(xiàn)象原因分析解決方案1目錄/CONTENT23一.理論基礎(chǔ)法拉第電磁感應定律：電路中感應電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比。這就是法拉第電磁感應定律。公式為：E＝-nΔΦ/Δt(n為線圈匝數(shù))。這是法拉第電磁感應定律最普遍的表達式，表明了感應電動勢的大小取決于磁通量變化的快慢和線圈匝數(shù)n。楞次定律：閉合回路中感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化，感應電流產(chǎn)生的磁場與初始磁場的變化相反，電磁感應定律中的負號，其實就是表明感應電動勢的方向。步進電機的反電動勢：電機的反電動勢(BackElectromotiveForce,簡稱EMF)是指在電機運行過程中,由于電機旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的感應電動勢。當電機運行時,電流通過電機的線圈,根據(jù)法拉第電磁感應定律,線圈中會產(chǎn)生一個磁場。同時,由于電機的旋轉(zhuǎn)運動,磁場的變化會導致線圈中產(chǎn)生感應電動勢,這個感應電動勢就是反電動勢。一.理論基礎(chǔ)

一.理論基礎(chǔ)對于電動機產(chǎn)品，轉(zhuǎn)子部分產(chǎn)生的反電動勢是電動機做功的關(guān)鍵要素之一，反電動勢是由于轉(zhuǎn)子部分中的電流和磁場相互作用而產(chǎn)生的，它會抵消輸入的電能，從而限制電機的轉(zhuǎn)速。雖然反電動勢消耗了電路中的電能，但并不是一種“損耗”，而是對電能的一種自然反應。與反電動勢對應的那部分電能實際上是被轉(zhuǎn)化為了用電設(shè)備的能量輸入。這是因為電動機的旋轉(zhuǎn)運動是通過轉(zhuǎn)子部分產(chǎn)生的，而這個旋轉(zhuǎn)運動可以用來驅(qū)動其他設(shè)備運轉(zhuǎn)。電機運動最終用功率來表征，所謂的能量守恒。當電機啟動之初，靜態(tài)扭矩最大，由于轉(zhuǎn)速為0，反電動勢也為0。電機功率除了銅損和鐵損發(fā)熱外都以電機扭矩的形式轉(zhuǎn)換為有用功。當隨著步進電機速度增大，反電動勢也增加，阻礙線圈輸出電流以扭矩形式做功。當增大到一定程度，反電動勢最大，繞組線圈電流為0，扭矩降為0。這時能量又達到一個平衡，除了鐵芯渦流損耗之外，就是反電動勢的能量。一.理論基礎(chǔ)所以電機的反電動勢大小可以用來表征電機的實際工作輸出能力和效率。即反電動勢大小可用來表征步進電機靜態(tài)扭矩大小電動機的感應電動勢公式：E=4.44*f*N*Φ（MOONS）E為線圈電動勢、f為頻率、S為環(huán)繞出的導體（例如鐵芯）橫截面積、N為匝數(shù)、Φ是磁通。

磁通量計算公式Φ=B*S*COSθ當面積為S的平面與磁場方向垂直時，角θ為0，COSθ就等于1，公式就變成Φ=B*S。

電動機的輸出功率P=EI=4.44*f*N*Φ*I通過公式可知:匝數(shù)大，磁通大，電感就大，反電動勢大。一.理論基礎(chǔ)定子轉(zhuǎn)子一.電機發(fā)熱電機發(fā)熱主要是有轉(zhuǎn)子的鐵損和銅線繞組的銅損（繞組有電阻，通電會產(chǎn)生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比）UL引起，低速300-500RPM主要是銅損，大于500RPM主要是鐵損。在電機正常工作時，電動機的反電動勢與輸入電壓之間存在著平衡關(guān)系，即反電動勢等于輸入電壓減去電動機的電壓降。

電機分壓公式：U=E+UR+UL

UR=IR

UL=ωLI=2πf×L×I=2πf×Uc×N^2A/Lc×IL=Uc×N^2A/LcL:電感Uc:鐵芯磁導率N：線圈匝數(shù)A：磁路面積LC：磁路長度

通過以上公式可知，電機發(fā)熱主要跟電流，電壓、匝數(shù)和轉(zhuǎn)速等有關(guān)，低速時如果想降低電機發(fā)熱可以通過降低電流，匝數(shù)，有時為了保證電機的輸出扭力不降，所以降低發(fā)熱只能通過降低銅線內(nèi)阻，改善定子鐵芯材料來實現(xiàn)。

高速轉(zhuǎn)矩策略鳴志分壓公式UR可以理解為：實際輸出扭矩功率=實際繞組工作電流I×內(nèi)阻R可以解釋降低匝數(shù)增大電流來提高高速實際輸出扭矩的策略。通過以上分析，也更好理解下面扭矩和反電動勢曲線。

高速轉(zhuǎn)矩策略

高速轉(zhuǎn)矩策略

矩頻曲線從以上兩個圖標結(jié)合反電動勢公式、電感公式和分壓公式，為了提高高速轉(zhuǎn)矩，其他參數(shù)不變的情況下，降低電機電感（匝數(shù)）量，提高實際輸出電流可以提高高速轉(zhuǎn)矩。（注意區(qū)分靜態(tài)扭矩和反電動勢正相關(guān)，但是運動扭矩由于電機線圈銅損、鐵損和電流的原因會有差異，變化趨勢是正相關(guān)的）正常電機廠家官網(wǎng)會提供速度力矩曲線供選型參考。

轉(zhuǎn)速計算如何根據(jù)項目需求來選定轉(zhuǎn)速呢，下面是計算結(jié)果：

根據(jù)以上圖表計算的所需轉(zhuǎn)速，還要結(jié)合力矩曲線，保證在此轉(zhuǎn)速下輸出力矩足夠，不然會出現(xiàn)打印丟步的現(xiàn)象。同時也可以根據(jù)反電動勢公式要求廠家通過改變電機繞組匝數(shù)，材質(zhì)，轉(zhuǎn)子及氣隙大小，鐵氧磁芯材質(zhì)等提升整體轉(zhuǎn)矩。

保持力矩測量比如1.8A電機，同樣的圖紙要求，鳴志通過改善電機工藝，在較低相電感的情況下可以將保持力矩提高，這樣高速扭矩也會有優(yōu)勢。實際測試結(jié)果鳴志也占優(yōu)。步進電機經(jīng)驗總結(jié)步進電機使用條件600RPM到頂了，再快因為力矩的衰減已沒太大意義。300