步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器原理

2010年12月06日 11:41:03人氣：15321來源：上海歐沁機(jī)電工程技術(shù)有限公司

步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化設(shè)備中。步進(jìn)電機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)不同之處在于它是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它同時(shí)完成兩個(gè)工作：一是傳遞轉(zhuǎn)矩，二是控制轉(zhuǎn)角位置或速度。

圖1.2步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3．驅(qū)動(dòng)器原理
步進(jìn)電機(jī)必須有驅(qū)動(dòng)器和控制器才能正常工作。驅(qū)動(dòng)器的作用是對(duì)控制脈沖進(jìn)行環(huán)形分配、功率放大，使步進(jìn)電機(jī)繞組按一定順序通電，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1.3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

，其四個(gè)狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；若方向信號(hào)變?yōu)樨?fù)時(shí)，通電時(shí)序就變?yōu)?電機(jī)就逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

分析步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖1.4，當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)有：

R為電路中存在的等效電阻。

如果，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，感應(yīng)電動(dòng)勢E＝0，則：

步進(jìn)電機(jī)一定時(shí)，供給驅(qū)動(dòng)器的電壓值對(duì)電機(jī)性能影響較大，電壓越高，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高、力矩越大；在驅(qū)動(dòng)器上一般設(shè)有相電流調(diào)節(jié)開關(guān)，相電流設(shè)的越大，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高、力矩越大。

4．細(xì)分控制原理為了提高步進(jìn)電機(jī)的性能，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)廣泛應(yīng)用。細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的原理是通過改變A，B相電流的大小，以改變合成磁場的夾角，從而可將一個(gè)步距角細(xì)分為多步。

圖1.7步進(jìn)電機(jī)細(xì)分原理圖

細(xì)分?jǐn)?shù)越高，電流越平滑，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)就越平穩(wěn)。驅(qū)動(dòng)器一般都具有細(xì)分功能，常見的細(xì)分倍數(shù)有：1/2，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64，1/256；或：1/5，1/10，1/20。
細(xì)分后步進(jìn)電機(jī)步距角按下列方法計(jì)算：
步距角 = 電機(jī)固有步距角 / 細(xì)分?jǐn)?shù)
例如：一臺(tái)1.8°電機(jī)設(shè)定為4細(xì)分，其步距角為 1.8°/ 4 = 0.45°。
當(dāng)細(xì)分等級(jí)大于1/4后，電機(jī)的定位精度并不能提高，只是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)更平穩(wěn)。
相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極N、S磁場的勵(lì)磁線圈對(duì)數(shù)。

步距角：
對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移。一般二相電機(jī)的步距角為1.8度，即電機(jī)運(yùn)動(dòng)200步為一周。
靜力矩（HOLDING TORQUE）：
是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)zui重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近于靜力矩。
定位力矩（DETENT TORQUE）：
是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。
步距角精度：
步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：（誤差/步距角） *。步進(jìn)角的誤差不累積。
zui大空載起動(dòng)頻率：
電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的zui大頻率。
zui大空載的運(yùn)行頻率：
電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的zui高運(yùn)行頻率。
相電流：電機(jī)繞組所通過的電流。
電機(jī)矩頻特性：
電機(jī)在某種測試條件下測得運(yùn)行中輸出力矩與脈沖頻率關(guān)系的曲線稱為電機(jī)矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中zui重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。如圖2.2所示，在低速時(shí)的電機(jī)力矩接近靜轉(zhuǎn)矩，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，感應(yīng)電動(dòng)勢加大，削弱了外加電壓的作用，使電機(jī)輸出力矩減小。

圖1.10中，曲線3電流zui大、或電壓zui高；曲線1電流zui小、或電壓zui低，曲線與負(fù)載的交點(diǎn)為負(fù)載的zui大速度點(diǎn)。
電機(jī)的共振點(diǎn)：
步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然。為使電機(jī)輸出力矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。
丟步（失步）：
控制器給電機(jī)發(fā)了n個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)并沒有轉(zhuǎn)動(dòng)n個(gè)步距角。一般當(dāng)電機(jī)力矩偏小、加速度偏大、速度偏高、摩擦力不均勻等都會(huì)是丟步現(xiàn)象發(fā)生。
步進(jìn)電機(jī)的類型：
現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。
永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；
反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；
混合式步進(jìn)電機(jī)是指綜合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)。它又分為兩相、三相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度，三相步進(jìn)角一般為1.2度，而五相步進(jìn)角一般為0.72度。
6．步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器接線
1）步進(jìn)電機(jī)線圈的串、并聯(lián)
許多2相步進(jìn)電機(jī)有8根引線，這種電機(jī)既可以串聯(lián)連接又可以并聯(lián)連接。
串聯(lián)連接的電機(jī)，線圈長度增加，力矩較大；并聯(lián)連接的電機(jī)，電感較小，所以啟動(dòng)、停止速度較快。

注意：通過對(duì)調(diào)A和A在驅(qū)動(dòng)器上的位置，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。

2）用萬用表確認(rèn)線圈極性在沒有電機(jī)說明書時(shí)，可以用萬用表確認(rèn)電機(jī)8引線的極性，方法如下：
A．先用萬用表測量8個(gè)引線之間的電阻，可判斷出4組線圈引線；
B．由于只接1、6，2、8或1、6，7、4二個(gè)線圈電機(jī)也能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，所以，在4個(gè)線圈中任選2個(gè)，接在驅(qū)動(dòng)器上；
如果電機(jī)不轉(zhuǎn)，說明這2組線圈是A相線圈；另外2個(gè)線圈是B相的2個(gè)線圈；
如果電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，說明這2個(gè)線圈一個(gè)是A相，一個(gè)是B相線圈；
C．接2組線圈讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，再從剩下的2個(gè)線圈中任選一個(gè)線圈，串聯(lián)在A相線圈上，如果電機(jī)電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)了，說明該線圈是A相的另一個(gè)線圈；
如果電機(jī)不轉(zhuǎn)，將這個(gè)線圈的正負(fù)對(duì)調(diào)后再試一次，如果電機(jī)還不轉(zhuǎn)，說明該線圈是B相的另一個(gè)線圈。
D．用上述同樣方法，可以確定zui后一個(gè)線圈的極性。

3）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的接線：
光電隔離元件的作用：電氣隔離，抗干擾。
控制信號(hào)有3種接法：共陽極接法、共陰極接法、差分信號(hào)接法。不管什么接法都要確保驅(qū)動(dòng)器光耦的電流在10～15mA范圍內(nèi)；否則，電流過小，驅(qū)動(dòng)器工作不可靠、不穩(wěn)定，會(huì)有丟步等問題；電流過大，會(huì)損壞驅(qū)動(dòng)器。

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