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步进马达专题讨论

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发表于 2007-9-20 13:35:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
USB-6009数据采集卡首发
步进电机
& s6 `2 v/ p) i1 l* |, D% }4 V  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。- A+ T( N/ g6 r. S
  上个世纪就出现了步进电动机,它是一种可以自由回转的电磁铁,动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别,也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪初,由于资本主义列强争夺殖民地,造船工业发展很快,同时也使得步进电动机的技术得到了长足的进步。到了80年代后,由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现,步进电动机的控制方式更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路,不仅调试安装复杂,要消耗大量元器件,而且一旦定型之后,要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算机则通过软件来控制步进电机,更好地挖掘出电动机的潜力。因此,用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势,也符合数字化的时代趋势。步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件,通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列,轮流和直流电源接通后,就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场,使转子步进式的转动,随着脉冲频率的增高,转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。
9 k; k, q3 X- g; D8 z8 X; ]  现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中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。现阶段,反应式步进电机获得最多的应用。
$ }5 h0 o7 X/ M+ C3 {) n0 \4 u) w步进电机驱动器
  p3 z) c5 D& S3 b- W5 p2 d  步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式,正是这个特点,步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机,步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。使用恰当的时候,甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。
+ n( ?+ V' N" }. E8 v9 k  步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中,因为步进电机不需要A/D转换,能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移,所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小,无法满足需要,在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展,步进电动机已经能够单独在系统上进行使用,成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机,在这个应用中,步进电动机可以同时完成两个工作,其一是传递转矩,其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用,步进电机也可以并用在其他的机械上,比如作为自动送料机中的马达,作为通用的软盘驱动器的马达,也可以应用在打印机和绘图仪中。
  @: J7 d; ~* F9 o  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。
8 k" E4 u' Y" n# V: G7 @常用单相交流感应电动机种类$ s2 ^: v% ^& P* q
在家用电器设备中,常配有小型单相交流感应电动机。交流感应电动机因应用类别的差异,一般可分为分相式电动机、电容启动式电动机、永久分相式电容电动机、罩极式电动机、永磁直流电动机及交直流电动机等类型。
1 e2 t7 X! l. |$ r7 q  一般的三相交流感应电动机在接通三相交流电后,电机定子绕组通过交变电流后产生旋转磁场并感应转子,从而使转子产生电动势,并相互作用而形成转矩,使转子转动。但单相交流感应电动机,只能产生极性和强度交替变化的磁场,不能产生旋转磁场,因此单相交流电动机必须另外设计使它产生旋转磁场,转子才能转动,所以常见单相交流电机有分相启动式、罩极式、电容启动式等种类。8 t; u$ G. B" {6 B
  1、分相启动式电动机8 Q3 i; R7 F: S& S
  分相式电动机广泛应用于电冰箱、洗衣机、空调等家用电器中。该电机有一个鼠笼式转子和主、副两个定子绕组。两个绕组相差一个很大的相位角,使副绕组中的电流和磁通达到最大值的时间比主绕组早一些,因而能产生一个环绕定子旋转的磁通。这个旋转磁通切割转子上的导体,使转子导体感应一个较大的电流,电流所产生的磁通与定子磁通相互作用,转子便产生启动转矩。当电机一旦启动,转速上升至额定转速70%时,离心开关脱开副绕组即断电,电机即可正常运转。: z, N& `; S" g6 v- p
  2、罩极式电动机
; h& ~" o. ?# s  罩极式单相交流电动机,它的结构简单,其电气性能略差于其他单相电机,但由于制作成本低,运行噪声较小,对电器设备干扰小,所以被广泛应用在电风扇、电吹风、吸尘器等小型家用电器中。罩极式电动机只有主绕组,没有副绕级(启动绕组),它在电机定子的两极处各设有一副短路环,也称为电极罩极圈。当电动机通电后,主磁极部分的磁场产生的脉动磁场感应短路而产生二次电流,从而使磁极上被罩部分的磁场,比未罩住部分的磁场滞后些,因而磁极构成旋转磁场,电动机转子便旋转启动工作。罩极式单相电动机还有一个特点,即可以很方便地转换成二极或四极转速,以适应不同转速电器配套使用。# Y2 b) i& T& A
  3、电容式启动电动机
/ z8 L; f, z" G6 [  该类电动机可分为电容分相启动电机和永久分相电容电机。这种电机结构简单,启动快速,转速稳定,被广泛应用在电风扇、排风扇、抽油烟机等家用电器中。电容分相式电动机在定子绕组上设有主绕组和副绕组(启动绕组),并在启动绕组中串联大容量启动电容器,使通电后主、副绕组的电相角成90°,从而能产生较大的启动转矩,使转子启动运转。% \5 f* ]9 [* p: {
  对于永久分相电容电动机来说,均与启动绕组串接。由于永久分相电机其启动的转矩较小,因此很适于排风机、抽风机等要求启动力矩低的电器设备中应用。电容式启动电动机,由于其运行绕组分正、反相绕制设定,所以只要切换运行绕组和启动绕组的串接方向,即可方便实现电机逆、顺方向运转。) f- ^8 Q3 Q/ l& d3 }* G$ b$ ?
  4、交、直流两用电动机0 m8 |6 ?0 m0 s) S  C, S6 _1 e
  一般常用单相交流电动机,在交流50Hz电源中运行时,电动机转速较高的也只能达每分钟3000转。而交直流两用电动机在交流或直流供电下,其电机转速可高达20000转,同时其电机的输出启动力矩也大,所以尽管电机体积小,但由于转速高输出功率大,因此交直流两用电动机在洗衣机、吸尘器、排风扇等家用电器中得以应用。7 r2 p& ?! f" X1 @) p- S
  交、直流两用电动机的内在结构与单纯直流电机无大差异,均由电机电刷经换向器将电流输入电枢绕组,其磁场绕组与电枢绕组构成串联形式。为了充分减少转子高速运行时电刷与换向器间产生的电火花干扰,而将电机的磁场线圈制成左右两只,分别串联在电枢两侧。两用电机的转向切换很方便,只要切换开关将磁场线圈反接,即能实现电机转子的逆转或顺转。7 H) W% h* K7 y
  在家用电器电机类中还有一种直流微型电动机。该电机在录音机、随身听、录像机、打印机、传真机等家用电器中广泛应用。直流微型电机由于定子绕组和转子绕组之间的串接形式不同,又可分为并激、串激、复激等几种类别。
6 c  Y7 P; T* J: j0 j, D  应用在家用电器中的电机,其定子绕组的转子,绕组之间的串接一般采用并激形式,即电机的定子磁场线圈与电枢绕组线圈并联后接到电源上。当通电后电机可保持磁场恒定,并利用电枢电路控制电机转速。这种直流电机的最大特点是当负载产生波动变化时,电机的转速保持定速状态。
+ d7 x. _& E/ a4 f6 F- o1 e$ J0 l  此外,在直流电动机中还有一种结构更为简单、用在玩具上的电机,这种电机是用永久磁铁作固定磁场的电动机,在电子玩具、电动剃须刀、微型按摩器等日用小电器中得以广泛应用。4 K# p: h: `, {4 d
步进电机和交流伺服电机性能比较$ l0 U' \7 s: a8 \! Z
  步进电机和交流伺服电机性能比较( Z% q* U: ^9 A0 h7 V
  步进电机是一种离散运动的装置,它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中,步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现,交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势,运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似(脉冲串和方向信号),但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。
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; ?7 h& T: E# u5 V  一、控制精度不同
$ A8 V, x1 L) e! t' J  9 o) i0 b, n" Q/ X) j
  两相混合式步进电机步距角一般为3.6° 1.8°,五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机,其步距角为0.09°;德国百格拉公司(BERGER LAHR)生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°0.9°0.72°0.36°0.18°0.09°0.072°0.036°,兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。
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: y% e" L1 b5 Q" c  交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例,对于带标准2500线编码器的电机而言,由于驱动器内部采用了四倍频技术,其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言,驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈,即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655
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  V+ X: R; t' M  二、低频特性不同% _3 K; |( @7 q  `  h% _
  - @7 a; q; A' }$ I  @3 [7 [
  步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关,一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时,一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象,比如在电机上加阻尼器,或驱动器上采用细分技术等。, a" S6 c( N( L4 ~. y8 T" `
  
* O- h9 b% z6 z9 V  z  交流伺服电机运转非常平稳,即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能,可涵盖机械的刚性不足,并且系统内部具有频率解析机能(FFT),可检测出机械的共振点,便于系统调整。) K# n6 O8 U  s: }3 {9 v
  
$ M' c  [7 D% `" A  K& L1 P* ?  三、矩频特性不同9 ^$ p  b/ E0 e! \$ D' w4 L
  
) z8 I1 F: E' i* o% O  步进电机的输出力矩随转速升高而下降,且在较高转速时会急剧下降,所以其最高工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出,即在其额定转速(一般为2000RPM3000RPM)以内,都能输出额定转矩,在额定转速以上为恒功率输出。
3 _* K; @4 b2 `' D! ]/ i/ ]+ f$ Z  
8 u' D- H! {8 O+ Q' T6 ]% t  四、过载能力不同
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% O8 l/ {/ n# r; h1 G2 a  步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例,它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍,可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力,在选型时为了克服这种惯性力矩,往往需要选取较大转矩的电机,而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩,便出现了力矩浪费的现象。
# T, V& V8 D3 n8 R" i* ]3 b  4 k3 b- S; F( |  j+ D8 d
  五、运行性能不同
6 A1 i6 X, A0 U" R1 D  4 D0 l3 p& M* l4 H  `. W
  步进电机的控制为开环控制,启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象,停止时转速过高易出现过冲的现象,所以为保证其控制精度,应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制,驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样,内部构成位置环和速度环,一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象,控制性能更为可靠。/ p1 K! S3 ~" T
  
0 O3 ~% q- M7 N) A, w  六、速度响应性能不同- ^: [" C/ v: @$ z6 e
  
' u" S5 ~8 i2 j" C  步进电机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好,以松下MSMA 400W交流伺服电机为例,从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒,可用于要求快速启停的控制场合。- p8 M7 ^; O- N6 m- C
  
. O4 z1 d* w: a4 V9 Y9 e" a5 _: W  综上所述,交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以,在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素,选用适当的控制电机。
) U/ U7 S- }/ @7 B步进电机问与答
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什么是步进电机? ! r7 w1 c) @9 K9 b2 C
  步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲: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(及步进角)。您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;同时您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。
5 Q2 x8 @3 L" L8 L$ x) ]  2.步进电机分哪几种?
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  步进电机分三种:永磁式(PM4 o: ^4 x# m+ f& T! E9 _8 s& {# a
,反应式(VR)和混合式(HB+ G' N: T8 E- K9 F$ \- G
  永磁式步进一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5
/ }  f5 o: P/ W15度;
" I4 e# k/ e& W! l& l+ y4 X  反应式步进一般为三相,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。在欧美等发达国家80年代已被淘汰;混合式步进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。
. p8 r6 l$ ?+ d  ?! s  3.什么是保持转矩(HOLDING TORQUE? ( G* m' ?; y! [6 ~0 E+ s2 J
  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。
+ |- G& U! R% H2 Y' f. c- {6 A  4.什么是DETENT TORQUE? 7 c$ N8 L9 [3 Q
  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。
; N: n7 C8 y& H8 u9 B  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% h9 G% [* K  m+ b7 J
  5.步进电机精度为多少?是否累积?
& ?. w; z6 \# F
  一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。
5 ~% v7 T$ c9 ^0 w. }0 p6 @- I  6.步进电机的外表温度允许达到多少? 2 \) f: T$ @6 D, r
  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。
6 {8 [) [4 g: y8 p2 k0 k  7.为什么步进电机的力矩会随转速的升高而下降? 4 |, N" \  d, m# _' M) l# C
  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 A# \" R0 v0 X" q  8.为什么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? . Z9 V& A! f& _; K# R2 K: _; ~+ Y
  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)。
1 M+ N# h- z2 t, y+ s2 t  9.如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声?
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  步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点,一般可采用以下方案来克服:
: Y$ q1 l4 e6 u  A.如步进电机正好工作在共振区,可通过改变减速比等机械传动避开共振区;8 `3 n4 R, A' ]' ^( }1 K3 u
  B.采用带有细分功能的驱动器,这是最常用的、最简便的方法;
- q! C* F  b% ^. l" k% {, R  C.换成步距角更小的步进电机,如三相或五相步进电机;
( ?5 j9 z4 D7 T9 \8 ^1 G- ^2 D& l  D.换成交流伺服电机,几乎可以完全克服震动和噪声,但成本较高;
7 `8 U9 C( A" o& q+ F! d/ O9 n! x  E.在电机轴上加磁性阻尼器,市场上已有这种产品,但机械结构改变较大。
5 Z" y  C. e1 m( ~4 K/ Y  10.细分驱动器的细分数是否能代表精度?
, `) P6 ^& [$ F: a3 k+ n
  步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术(请参考有关文献),其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动,提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8° 的两相混合式步进电机,如果细分驱动器的细分数设置为4,那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45°,电机的精度能否达到或接近0.45°,还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大;细分数越大精度越难控制。( X1 V" G5 [; g; y$ s
  11.四相混合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别? . K& ?0 N0 q9 R' J
  四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动,因此,连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较的场合使用,此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍,因而电机发热小;并联接法一般在电机转速较高的场合使用(又称高速接法),所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍,因而电机发热较大。1 ^' t9 Q$ p# w; d! I$ k
  12.如何确定步进电机驱动器的直流供电电源?
! `, Y5 T+ H7 h
  A.电压的确定:混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围(比如IM483的供电电压为1248VDC),电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快,那么电压取值也高,但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压,否则可能损坏驱动器。( j' \5 `; \8 c: O3 ^$ t
  B.电流的确定:供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源,电源电流一般可取I 1.11.3倍;如果采用开关电源,电源电流一般可取I 1.52.0倍。
# t& ^: e$ \; G' K- x; q  13.混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE一般在什么情况下使用?
: V( g( P9 u  {9 N# _* Z% a
  当脱机信号FREE为低电平时,驱动器输出到电机的电流被切断,电机转子处于自由状态(脱机状态)。在有些自动化设备中,如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴(手动方式),就可以将FREE信号置低,使电机脱机,进行手动操作或调节。手动完成后,再将FREE信号置高,以继续自动控制。1 ^: l- c1 Q6 Q% W$ d6 ~# X) H
  14.如果用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向?
. C/ D$ }! t% ]. X+ l) O/ t
  只需将电机与驱动器接线的A+A-(或者B+B-)对调即可。
IDAQ-USB-6009数据采集卡
发表于 2008-4-17 20:29:19 | 显示全部楼层

好文章

在线课堂
好文章,讲的很详细啊,适合初学者学习下。:10P
发表于 2008-12-26 14:38:44 | 显示全部楼层

回复 1楼 虚拟小强 的帖子

好文章,讲的很详细啊,适合我
发表于 2009-11-10 15:33:24 | 显示全部楼层
支持,写的很详细。
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