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步进电机知识与应用心得
作者:本站  来源:www.chinadpj.com  发布时间:2009-6-28 22:03:21  发布人:admin

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步进电机知识与应用心得

步进电机知识

 

步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用。 

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。 
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。 
永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度 或15度; 
反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。 
混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛,也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。 
步进电机的一些基本参数: 
电机固有步距角: 
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°(表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°),这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’,它不一定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱动器有关。 
步进电机的相数: 
是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器,则‘相数’将变得没有意义,用户只需在驱动器上改变细分数,就可以改变步距角。 
保持转矩(HOLDING TORQUE): 
是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如,当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。 
DETENT TORQUE: 
是指步进电机没有通电的情况下,定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式,容易使大家产生误解;由于反应式步进电机的转子不是永磁材料,所以它没有DETENT TORQUE。 
步进电机的一些特点: 
1.一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。 
2.步进电机外表允许的最高温度。 
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上,有的甚至高达摄氏200度以上,所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 
3.步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 
当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。 
4.步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。 
步进电机有一个技术参数:空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。 
步进电动机以其显著的特点,在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高,步进电机将会在更多的领域得到应用。

、力矩: 
    电机一旦通电,在定转子间将产生磁场(磁通量Ф)当转子与定子错开一定角度产生力 
    F与(dФ/dθ)成正比  
    
    其磁通量Ф=Br*S  
    Br为磁密,S为导磁面积  
    F与L*D*Br成正比 
    L为铁芯有效长度,D为转子直径 
     Br=N•I/R 
     N•I为励磁绕阻安匝数(电流乘匝数)R为磁阻。 
  力矩=力*半径 
  力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比(只考虑线性状态) 
  因此,电机有效体积越大,励磁安匝数越大,定转子间气隙越小,电机力矩越大,反之亦然。 
(二)感应子式步进电机 
1、特点: 
    感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比,结构上转子加有永磁体,以提供软磁材料的工作点,而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能,因此该电机效率高,电流小,发热低。因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 

    感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行,也可以作二相运行。(必须采用双极电压驱动),而反应式电机则不能如此。例如:四相,八相运行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=,D=.  

    一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致,小功率电机一般直接接为二相,而功率大一点的电机,为了方便使用,灵活改变电机的动态特点,往往将其外部接线为八根引线(四相),这样使用时,既可以作四相电机使用,可以作二相电机绕组串联或并联使用。 

2、分类 
    感应子式步进电机以相数可分为:二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号(电机外径)可分为:42BYG(BYG为感应子式步进电机代号)、57BYG、86BYG、110BYG、(国际标准),而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。 

3、步进电机的静态指标术语 
    相数:产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。 
    拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示,或指电机转过一个齿距角所需脉冲数,以四相电机为例,有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 
    步距角:对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度(转子齿数J*运行拍数),以常规二、四相,转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/(50*4)=1.8度(俗称整步),八拍运行时步距角为θ=360度/(50*8)=0.9度(俗称半步)。 
    定位转矩:电机在不通电状态下,电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的) 
    静转矩:电机在额定静态电作用下,电机不作旋转运动时,电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积(几何尺寸)的标准,与驱动电压及驱动电源等无关。 

    虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比,与定齿转子间的气隙有关,但过份采用减小气隙,增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的,这样会造成电机的发热及机械噪音。

 

步进电机的应用心得

 

 

(一)步进电机的选择 

步进电机有步距角(涉及到相数)、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定,步进电机的型号便确定下来了。 

1、步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求,将负载的最小分辨率(当量)换算到电机轴上,每个当量电机应走多少角度(包括减速)。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度(五相电机)、0.9度/1.8度(二、四相电机)、1.5度/3度 (三相电机)等。 

2、静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定,我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载,而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时(一般由低速)时二种负载均要考虑,加速起动时主要考虑惯性负载,恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下,静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好,静力矩一旦选定,电机的机座及长度便能确定下来(几何尺寸) 

3、电流的选择 静力矩一样的电机,由于电流参数不同,其运行特性差别很大,可依据矩频特性曲线图,判断电机的电流(参考驱动电源、及驱动电压) 综上所述选择电机一般应遵循以下步骤:

4、力矩与功率换算 

步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的,一般只用力矩来衡量,力矩与功率换算如下: p= ω·m ω=2π·n/60 p=2πnm/60 其p为功率单位为瓦,ω为每秒角速度,单位为弧度,n为每分钟转速,m为力矩单位为牛顿·米 p=2πfm/400(半步工作) 其中f为每秒脉冲数(简称pps) 

(二)、应用中的注意点 

1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转,(0.9度时6666pps),最好在1000-3000pps(0.9度)间使用,可通过减速装置使其在此间工作,此时电机工作效率高,噪音低。 

2、步进电机最好不使用整步状态,整步状态时振动大。 

3、由于历史原因,只有标称为12v电压的电机使用12v外,其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ,可根据驱动器选择驱动电压(建议:57byg采用直流24v-36v,86byg采用直流50v,110byg采用高于直流80v),当然12伏的电压除12v恒压驱动外也可以采用其他驱动电源, 不过要考虑温升。 

4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。 

5、电机在较高速或大惯量负载时,一般不在工作速度起动,而采用逐渐升频提速,一电机不失步,二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。 

6、高精度时,应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决,也可以采用5相电机,不过其整个系统的价格较贵,生产厂家少,其被淘汰的说法是外行话。 

7、电机不应在振动区内工作,如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。 

8、电机在600pps(0.9度)以下工作,应采用小电流、大电感、低电压来驱动。 

9、应遵循先选电机后选驱动的原则。五、其他说明 有关低频振动、升降速、机械共振、工作往复运动的误差、平面圆弧x、y插补误差以及其他问题。具体解决办法恕不便在此叙述,我厂用户可来电咨询,可根据具体情况解决。 不同厂家的电机在设计、使用材料及加工工艺方面差别很大,选用步进电机应注重可靠性而轻性能、重品质而轻价格。 最好采用同一生产厂家的控制器、驱动器和电机。这样便于最终客户的维护。

[本站www.chinadpj.com(中国单片机网),摘自      http://blog.sina.com.cn/s/blog_5f025ed60100c2bv.html     作者    ]

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