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機械基礎丨深度解析之步進電機講解

步進電機的說明

步進電機又稱脈衝電動機, 它是一種將電脈衝信號轉變為角位移或線位移的執行電動機, 它一般用作於開環控制系統的執行裝置。 近年來由於電腦應用技術的迅速發展, 步進電機常用於和計算機組成高精度的數位控制系統。 在非超載的情況下, 步進電機的轉速、停止的位置等只取決於脈衝信號的頻率和脈衝數, 而不受負載變化的影響, 即給其加一個脈衝信號, 其就會轉動一個步距角, 這一線性關係的存在, 與其只有週期性誤差而無累積誤差的特點, 使其在速度、位置等控制領域中得到了廣泛地應用。

圖片來自德邁傳動

雖然步進電機已被廣泛地應用, 但步進電機並不能象普通的直流電機, 交流電機在常規下使用。 它必須由雙環形脈衝信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。 因此用好步進電機卻非易事,

它涉及到機械、電機、電子及電腦等許多專業知識。

步進電機的主要特性

1 步進電機必須加驅動才可以運轉, 驅動型號必須為脈衝信號, 沒有脈衝的時候, 步進電機靜止, 如果加入適當的脈衝信號, 就會以一定的角度(稱為步角)轉動。 轉動的速度和脈衝的頻率成正比。

2 騰龍版步進電機的步進角度為7.5 度, 一圈360 度, 需要48 個脈衝完成。

3 步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優越特性。

4 改變脈衝的順序, 可以方便的改變轉動的方向。 因此, 目前印表機, 繪圖器, 機器人, 等等設備都以步進電機為動力核心。

步進電機的種類

按力矩產生的原理分為反應式和激磁式(目前我國使用的大都是反應式)

反應式:轉子無繞組, 由被激磁的定子產生反應力矩實現步進運行

激磁式:定, 轉子均有激磁繞組(或轉子用永久磁鋼), 由電磁力矩實現步進

按輸出力矩大小分為伺服式和功率式

伺服式:輸出力矩在百分之幾至十分之幾(N*M)只能驅動較小的負載, 要與液壓所知放大器配用, 才能驅動機床工作臺等圈套的負載

功率式:輸出力矩在5-50N*M以上, 可以直接驅動機床工作臺等圈套的負載

按定子數分為單定子式, 雙定子式, 三定子式, 多定子式

按各相繞組分佈分為徑向分散式, 軸向分散式

徑向分散式:電機各相按圓周依次排列

軸向分散式:電機各相按軸向依次排列

圖片來自德邁傳動

步進電機的特點

(1)即使是同一臺步進電機, 在使用不同驅動方案時, 其矩頻特性也相差很大。

(2)步進電機在工作時, 脈衝信號按一定順序輪流加到各相繞組上(由驅動器內的環形分配器控制繞組通斷電的方式)。

(3)步進電機與其它電動機不同, 其標稱額定電壓和額定電流只是參考值;又因為步進電機是以脈衝方式供電, 電源電壓是其最高電壓,

而不是平均電壓, 所以, 步進電機可以超出其額定值範圍工作。 但選擇時不應偏離額定值太遠。

(4)步進電機沒有積累誤差:一般步進電機的精度為實際步距角的百分之三到五, 且不累積。

(5)步進電機外表允許的最高溫度:步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁, 從而導致力矩下降乃至於失步, 因此電機外表允許的最高溫度應取決於不同電機磁性材料的退磁點;一般來講, 磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上, 有的甚至高達攝氏200度以上, 所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

(6)步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降:當步進電機轉動時, 電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢;頻率越高, 反向電動勢越大。在它的作用下,電機隨頻率(或速度)的增大而相電流減小,從而導致力矩下降。

(7)步進電機低速時可以正常運轉,但若高於一定頻率就無法啟動,並伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術參數:空載啟動頻率,即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈衝頻率,如果脈衝頻率高於該值,電機不能正常啟動,可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下,啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動,脈衝頻率應該有加速過程,即啟動頻率較低,然後按一定加速度升到所希望的高頻(電機轉速從低速升到高速)。

(8)混合式步進電機驅動器的供電電源電壓一般是一個較寬的範圍(比如IM483的供電電壓為12~48VDC),電源電壓通常根據電機的工作轉速和回應要求來選擇。如果電機工作轉速較高或回應要求較快,那麼電壓取值也高,但注意電源電壓的紋波不能超過驅動器的最大輸入電壓,否則可能損壞驅動器。

(9)供電電源電流一般根據驅動器的輸出相電流I來確定。如果採用線性電源,電源電流一般可取I的1.1~1.3倍;如果採用開關電源,電源電流一般可取I的1.5~2.0倍。

(10)當離線信號FREE為低電平時,驅動器輸出到電機的電流被切斷,電機轉子處於自由狀態(離線狀態)。在有些自動化設備中,如果在驅動器不斷電的情況下要求直接轉動電機軸(手動方式),就可以將FREE信號置低,使電機離線,進行手動操作或調節。手動完成後,再將FREE信號置高,以繼續自動控制。

(11)用簡單的方法調整兩相步進電機通電後的轉動方向,只需將電機與驅動器接線的A+和A-(或者B+和B-)對調即可。

(12)四相混合式步進電機一般由兩相步進驅動器來驅動,因此,連接時可以採用串聯接法或並聯接法將四相電機接成兩相使用。串聯接法一般在電機轉速較低的場合使用,此時需要的驅動器輸出電流為電機相電流的0.7倍,因而電機發熱小;並聯接法一般在電機轉速較高的場合使用(又稱高速接法),所需要的驅動器輸出電流為電機相電流的1.4倍,因而步進電機發熱較大。

步進電機的選型

1:步進電機的保持轉矩,相當於傳統電機所說的“功率”。當然,他們有著本質的區別。步進電機的物理結構,完全不同于普通的交、直流電機,它的 輸出功率是可變的。通常根據需要的轉矩大小,來選擇哪種型號的步進電機。大致來說,扭力在0.8n.m以下的,一般選擇28、35、39、42;扭力在 1N.m左右的,選擇57電機較為合適。扭力在幾N.m或更大的情況下,就應當選擇轉矩更大的75、85、86、90、110、130等規格的步進電機。 同時,我們還應考慮電機的轉速。因為,電機的輸出轉矩,與轉速成反比關係。就是說,步進電機在低速(每分鐘幾百轉或更低轉速,其輸出轉矩較大),在高速旋 轉狀態的轉矩就很小了。當然,有些工作環境需要高速電機,就要對步進電機的線圈電阻、電感等指標進行綜合權衡。選擇電感稍小一些的電機,作為高速電機,能夠獲得較大輸出轉矩。反之,要求低速大力矩的情況下,就要選擇電感在十幾或幾十mH,電阻也要大一些為好。

2:步進電機空載啟動頻率,一般稱為“空起頻率”。這是選購步進電機很重要的一項指標。如果要求在瞬間頻繁啟動、停止,並且,轉速在1000轉/分鐘左右或更高。最好選擇反應式或永磁式步進電機,這些電機的“空起頻率”都比較高。

4:防水防腐型步進電機能夠防水、防油,適用於某些特殊場合。例如水下機器人,就需要放水電機。75BYG系列步進電機大多具有防水結構。對於特種用途的電機,就要針對性選擇了。

5:特殊規格的步進電機,通常需要和生產廠家溝通,在技術允許的範圍內,加工訂做。例如,出軸的直徑、長短、伸出方向等。

反向電動勢越大。在它的作用下,電機隨頻率(或速度)的增大而相電流減小,從而導致力矩下降。

(7)步進電機低速時可以正常運轉,但若高於一定頻率就無法啟動,並伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術參數:空載啟動頻率,即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈衝頻率,如果脈衝頻率高於該值,電機不能正常啟動,可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下,啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動,脈衝頻率應該有加速過程,即啟動頻率較低,然後按一定加速度升到所希望的高頻(電機轉速從低速升到高速)。

(8)混合式步進電機驅動器的供電電源電壓一般是一個較寬的範圍(比如IM483的供電電壓為12~48VDC),電源電壓通常根據電機的工作轉速和回應要求來選擇。如果電機工作轉速較高或回應要求較快,那麼電壓取值也高,但注意電源電壓的紋波不能超過驅動器的最大輸入電壓,否則可能損壞驅動器。

(9)供電電源電流一般根據驅動器的輸出相電流I來確定。如果採用線性電源,電源電流一般可取I的1.1~1.3倍;如果採用開關電源,電源電流一般可取I的1.5~2.0倍。

(10)當離線信號FREE為低電平時,驅動器輸出到電機的電流被切斷,電機轉子處於自由狀態(離線狀態)。在有些自動化設備中,如果在驅動器不斷電的情況下要求直接轉動電機軸(手動方式),就可以將FREE信號置低,使電機離線,進行手動操作或調節。手動完成後,再將FREE信號置高,以繼續自動控制。

(11)用簡單的方法調整兩相步進電機通電後的轉動方向,只需將電機與驅動器接線的A+和A-(或者B+和B-)對調即可。

(12)四相混合式步進電機一般由兩相步進驅動器來驅動,因此,連接時可以採用串聯接法或並聯接法將四相電機接成兩相使用。串聯接法一般在電機轉速較低的場合使用,此時需要的驅動器輸出電流為電機相電流的0.7倍,因而電機發熱小;並聯接法一般在電機轉速較高的場合使用(又稱高速接法),所需要的驅動器輸出電流為電機相電流的1.4倍,因而步進電機發熱較大。

步進電機的選型

1:步進電機的保持轉矩,相當於傳統電機所說的“功率”。當然,他們有著本質的區別。步進電機的物理結構,完全不同于普通的交、直流電機,它的 輸出功率是可變的。通常根據需要的轉矩大小,來選擇哪種型號的步進電機。大致來說,扭力在0.8n.m以下的,一般選擇28、35、39、42;扭力在 1N.m左右的,選擇57電機較為合適。扭力在幾N.m或更大的情況下,就應當選擇轉矩更大的75、85、86、90、110、130等規格的步進電機。 同時,我們還應考慮電機的轉速。因為,電機的輸出轉矩,與轉速成反比關係。就是說,步進電機在低速(每分鐘幾百轉或更低轉速,其輸出轉矩較大),在高速旋 轉狀態的轉矩就很小了。當然,有些工作環境需要高速電機,就要對步進電機的線圈電阻、電感等指標進行綜合權衡。選擇電感稍小一些的電機,作為高速電機,能夠獲得較大輸出轉矩。反之,要求低速大力矩的情況下,就要選擇電感在十幾或幾十mH,電阻也要大一些為好。

2:步進電機空載啟動頻率,一般稱為“空起頻率”。這是選購步進電機很重要的一項指標。如果要求在瞬間頻繁啟動、停止,並且,轉速在1000轉/分鐘左右或更高。最好選擇反應式或永磁式步進電機,這些電機的“空起頻率”都比較高。

4:防水防腐型步進電機能夠防水、防油,適用於某些特殊場合。例如水下機器人,就需要放水電機。75BYG系列步進電機大多具有防水結構。對於特種用途的電機,就要針對性選擇了。

5:特殊規格的步進電機,通常需要和生產廠家溝通,在技術允許的範圍內,加工訂做。例如,出軸的直徑、長短、伸出方向等。

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