導讀:以下是對步進(jìn)電機驅動(dòng)系統所做的較為完整的表述:1、系統常識:,步進(jìn)電機和步進(jìn)電機驅動(dòng)器構成步進(jìn)電機驅動(dòng)系統,步進(jìn)電機驅動(dòng)系統的性能,不但取決于步進(jìn)電機自身的性能,也取決于步進(jìn)電機驅動(dòng)器的優(yōu)劣,對步進(jìn)電機驅動(dòng)器的研究幾乎是與步進(jìn)電機的研究同步進(jìn)行的,步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行元件,當步進(jìn)電機驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(來(lái)自控制器),它就驅動(dòng)步進(jìn)電機按設定的方向轉動(dòng)一個(gè)固
以下是對步進(jìn)電機驅動(dòng)系統所做的較為完整的表述:
1、系統常識:
步進(jìn)電機和步進(jìn)電機驅動(dòng)器構成步進(jìn)電機驅動(dòng)系統。步進(jìn)電機驅動(dòng)系統的性能,不但取決于步進(jìn)電機自身的性能,也取決于步進(jìn)電機驅動(dòng)器的優(yōu)劣。對步進(jìn)電機驅動(dòng)器的研究幾乎是與步進(jìn)電機的研究同步進(jìn)行的。
2、系統概述:
步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行元件。當步進(jìn)電機驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(來(lái)自控制器),它就驅動(dòng)步進(jìn)電機按設定的方向轉動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步距角”),它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。
3、系統控制:
步進(jìn)電機不能直接接到直流或交流電源上工作,必須使用專(zhuān)用的驅動(dòng)電源(步進(jìn)電機驅動(dòng)器)?刂破鳎}沖信號發(fā)生器)可以通過(guò)控制脈沖的個(gè)數來(lái)控制角位移量,從而達到準確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機轉動(dòng)的速度和加速度,從而達到調速的目的。
4、用途:
步進(jìn)電機是一種控制用的特種電機,作為執行元件,是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,隨著(zhù)微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展(步進(jìn)電機驅動(dòng)器性能提高),步進(jìn)電機的需求量與日俱增。步進(jìn)電機在運行中精度沒(méi)有積累誤差的特點(diǎn),使其廣泛應用于各種自動(dòng)化控制系統,特別是開(kāi)環(huán)控制系統。
5、步進(jìn)電機按結構分類(lèi):
步進(jìn)電機也叫脈沖電機,包括反應式步進(jìn)電機(VR)、永磁式步進(jìn)電機(PM)、混合式步進(jìn)電機(HB)等。
(1)反應式步進(jìn)電機:
也叫感應式、磁滯式或磁阻式步進(jìn)電機。其定子和轉子均由軟磁材料制成,定子上均勻分布的大磁極上裝有多相勵磁繞組,定、轉子周邊均勻分布小齒和槽,通電后利用磁導的變化產(chǎn)生轉矩。一般為三、四、五、六相;可實(shí)現大轉矩輸出(消耗功率較大,電流最高可達20A,驅動(dòng)電壓較高);步距角。ㄗ钚】勺龅搅种欢龋;斷電時(shí)無(wú)定位轉矩;電機內阻尼較小,單步運行(指脈沖頻率很低時(shí))震蕩時(shí)間較長(cháng);啟動(dòng)和運行頻率較高。
(2)永磁式步進(jìn)電機:
通常電機轉子由永磁材料制成,軟磁材料制成的定子上有多相勵磁繞組,定、轉子周邊沒(méi)有小齒和槽,通電后利用永磁體與定子電流磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉矩。一般為兩相或四相;輸出轉矩。ㄏ墓β瘦^小,電流一般小于2A,驅動(dòng)電壓12V);步距角大(例如7.5度、15度、22.5度等);斷電時(shí)具有一定的保持轉矩;啟動(dòng)和運行頻率較低。
(3)混合式步進(jìn)電機:
也叫永磁反應式、永磁感應式步進(jìn)電機,混合了永磁式和反應式的優(yōu)點(diǎn)。其定子和四相反應式步進(jìn)電機沒(méi)有區別(但同一相的兩個(gè)磁極相對,且兩個(gè)磁極上繞組產(chǎn)生的N、S極性必須相同),轉子結構較為復雜(轉子內部為圓柱形永磁鐵,兩端外套軟磁材料,周邊有小齒和槽)。一般為兩相或四相;須供給正負脈沖信號;輸出轉矩較永磁式大(消耗功率相對較。;步距角較永磁式。ㄒ话銥1.8度);斷電時(shí)無(wú)定位轉矩;啟動(dòng)和運行頻率較高;是目前發(fā)展較快的一種步進(jìn)電機。
6、步進(jìn)電機按工作方式分類(lèi):
可分為功率式和伺服式兩種。
(1)功率式:輸出轉矩較大,能直接帶動(dòng)較大負載(一般使用反應式、混合式步進(jìn)電機)。
(2)伺服式:輸出轉矩較小,只能帶動(dòng)較小負載(一般使用永磁式、混合式步進(jìn)電機)。
7、步進(jìn)電機的選擇:
(1)首先選擇類(lèi)型,其次是具體的品種與型號。
(2)反應式、永磁式和混合式三種步進(jìn)電機的性能指標、外形尺寸、安裝方法、脈沖電源種類(lèi)和控制電路等都不同,價(jià)格差異也很大,選擇時(shí)應綜合考慮。
(3)具有控制集成電路的步進(jìn)電機應優(yōu)先考慮。
8、步進(jìn)電機的基本參數:
(1)電機固有步距角:
它表示控制系統每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號,電機所轉動(dòng)的角度。電機出廠(chǎng)時(shí)給出了一個(gè)步距角的值,如86BYG250A型電機給出的值為0.9°/1.8°(表示半步工作時(shí)為0.9°、整步工作時(shí)為1.8°),這個(gè)步距角可以稱(chēng)之為?電機固有步距角?,它不一定是電機工作時(shí)的實(shí)際步距角,實(shí)際步距角和驅動(dòng)器有關(guān)。 (2)步進(jìn)電機的相數: 是指電機內部的線(xiàn)圈組數,目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機。電機相數不同,其步距角也不同,一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。步進(jìn)電機增加相數能提高性能,但步進(jìn)電機的結構和驅動(dòng)電源都會(huì )更復雜,成本也會(huì )增加。
(3)保持轉矩(HOLDING TORQUE): 也叫最大靜轉矩,是在額定靜態(tài)電流下施加在已通電的步進(jìn)電機轉軸上而不產(chǎn)生連續旋轉的最大轉矩。它是步進(jìn)電機最重要的參數之一,通常步進(jìn)電機在低速時(shí)的力矩接近保持轉矩。由于步進(jìn)電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減,輸出功率也隨速度的增大而變化,所以保持轉矩就成為了衡量步進(jìn)電機最重要的參數之一。比如,當人們說(shuō)2N.m的步進(jìn)電機,在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進(jìn)電機。
(4)步距精度:
可以用定位誤差來(lái)表示,也可以用步距角誤差來(lái)表示。
(5)矩角特性:
步進(jìn)電機的轉子離開(kāi)平衡位置后所具有的恢復轉矩,隨著(zhù)轉角的偏移而變化。步進(jìn)電機靜轉矩與失調角的關(guān)系稱(chēng)為矩角特性。
(6)靜態(tài)溫升: 指電機靜止不動(dòng)時(shí),按規定的運行方式中最多的相數通以額定靜態(tài)電流,達到穩定的熱平衡狀態(tài)時(shí)的溫升。
(7)動(dòng)態(tài)溫升:
電機在某一頻率下空載運行,按規定的運行時(shí)間進(jìn)行工作,運行時(shí)間結束后電機所達到的溫升叫動(dòng)態(tài)溫升。
(8)轉矩特性:
它表示電機轉矩和單相通電時(shí)勵磁電流的關(guān)系。
(9)啟動(dòng)矩頻特性:
啟動(dòng)頻率與負載轉矩的關(guān)系稱(chēng)為啟動(dòng)矩頻特性。
(10)運行矩頻特性/慣頻特性:略
(11)升降頻時(shí)間:
指電機從啟動(dòng)頻率升到最高運行頻率或從最高運行頻率降到啟動(dòng)頻率所需的時(shí)間。
(12)DETENT TORQUE:
是指步進(jìn)電機沒(méi)有通電的情況下,定子鎖住轉子的力矩。DETENT TORQUE 在國內沒(méi)有統一的翻譯方式,容易產(chǎn)生誤解;反應式步進(jìn)電機的轉子不是永磁材料,所以它沒(méi)有DETENT TORQUE。
9、步進(jìn)電機的一些特點(diǎn):
(1)步進(jìn)電機沒(méi)有積累誤差:一般步進(jìn)電機的精度為實(shí)際步距角的百分之三到五,且不累積。
(2)步進(jìn)電機在工作時(shí),脈沖信號按一定順序輪流加到各相繞組上(由驅動(dòng)器內的環(huán)形分配器控制繞組通斷電的方式)。
(3)即使是同一臺步進(jìn)電機,在使用不同驅動(dòng)方案時(shí),其矩頻特性也相差很大。
(4)步進(jìn)電機與其它電動(dòng)機不同,其標稱(chēng)額定電壓和額定電流只是參考值;又因為步進(jìn)電機是以脈沖方式供電,電源電壓是其最高電壓,而不是平均電壓,所以,步進(jìn)電機可以超出其額定值范圍工作。但選擇時(shí)不應偏離額定值太遠。
(5)步進(jìn)電機外表允許的最高溫度: 步進(jìn)電機溫度過(guò)高首先會(huì )使電機的磁性材料退磁,從而導致力矩下降乃至于失步,因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點(diǎn);一般來(lái)講,磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上,有的甚至高達攝氏200度以上,所以步進(jìn)電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
(6)步進(jìn)電機的力矩會(huì )隨轉速的升高而下降:當步進(jìn)電機轉動(dòng)時(shí),電機各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢;頻率越高,反向電動(dòng)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(jìn)電機低速時(shí)可以正常運轉,但若高于一定頻率就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。 步進(jìn)電機有一個(gè)技術(shù)參數:空載啟動(dòng)頻率,即步進(jìn)電機在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率,如果脈沖頻率高于該值,電機不能正常啟動(dòng),可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下,啟動(dòng)頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動(dòng),脈沖頻率應該有加速過(guò)程,即啟動(dòng)頻率較低,然后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)四相混合式步進(jìn)電機一般由兩相驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng),因此,連接時(shí)可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián)接法將四相電機接成兩相使用。串聯(lián)接法一般在電機轉速較低的場(chǎng)合使用,此時(shí)需要的驅動(dòng)器輸出電流為電機相電流的0.7倍,因而電機發(fā)熱;并聯(lián)接法一般在電機轉速較高的場(chǎng)合使用(又稱(chēng)高速接法),所需要的驅動(dòng)器輸出電流為電機相電流的1.4倍,因而電機發(fā)熱較大。
(9)混合式步進(jìn)電機驅動(dòng)器的供電電源電壓一般是一個(gè)較寬的范圍 (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響應要求來(lái)選擇。如果電機工作轉速較高或響應要求較快,那么電壓取值也高,但注意電源電壓的紋波不能超過(guò)驅動(dòng)器的最大輸入電壓,否則可能損壞驅動(dòng)器。
(10)供電電源電流一般根據驅動(dòng)器的輸出相電流I來(lái)確定。如果采用線(xiàn)性電源,電源電流一般可取I 的1.1~1.3倍;如果采用開(kāi)關(guān)電源,電源電流一般可取I 的1.5~2.0倍。 (11)當脫機信號FREE為低電平時(shí),驅動(dòng)器輸出到電機的電流被切斷,電機轉子處于自由狀態(tài)(脫機狀態(tài))。在有些自動(dòng)化設備中,如果在驅動(dòng)器不斷電的情況下要求直接轉動(dòng)電機軸(手動(dòng)方式),就可以將FREE信號置低,使電機脫機,進(jìn)行手動(dòng)操作或調節。手動(dòng)完成后,再將FREE信號置高,以繼續自動(dòng)控制。
(12)用簡(jiǎn)單的方法調整兩相步進(jìn)電機通電后的轉動(dòng)方向,只需將電機與驅動(dòng)器接線(xiàn)的A+和A-(或者B+和B-)對調即可。
10、步進(jìn)電機驅動(dòng)器的一些特點(diǎn):
(1)構成步進(jìn)電機驅動(dòng)器系統的專(zhuān)用集成電路:
A、脈沖分配器集成電路:如三洋公司的PMM8713、PMM8723、PMM8714等。
B、包含脈沖分配器和電流斬波的控制器集成電路:如SGS公司的L297、L6506等。
C、只含功率驅動(dòng)(或包含電流控制、保護電路)的驅動(dòng)器集成電路:如日本新電元工業(yè)公司的MTD1110(四相斬波驅動(dòng))和MTD2001(兩相、H橋、斬波驅動(dòng))。
D、將脈沖分配器、功率驅動(dòng)、電流控制和保護電路都包括在內的驅動(dòng)控制器集成電路,如東芝公司的TB6560AHQ、MOTOROLA公司的SAA1042(四相)和ALLEGRO公司的UCN5804(四相)等。
(2)“細分驅動(dòng)”概述: 概念:
將“電機固有步距角”細分成若干小步的驅動(dòng)方法,稱(chēng)為細分驅動(dòng),細分是通過(guò)驅動(dòng)器精確控制步進(jìn)電機的相電流實(shí)現的,與電機本身無(wú)關(guān)。其原理是,讓定子通電相電流并不一次升到位,而斷電相電流并不一次降為0(繞組電流波形不再是近似方波,而是N級近似階梯波),則定子繞組電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)合力,會(huì )使轉子有N個(gè)新的平衡位置(形成N個(gè)步距角)。 最新技術(shù)發(fā)展:
國內外對細分驅動(dòng)技術(shù)的研究十分活躍,高性能的細分驅動(dòng)電路,可以細分到上千甚至任意細分。目前已經(jīng)能夠做到通過(guò)復雜的計算使細分后的步距角均勻一致,大大提高了步進(jìn)電機的脈沖分辨率,減小或消除了震蕩、噪聲和轉矩波動(dòng),使步進(jìn)電機更具有“類(lèi)伺服”特性。 對實(shí)際步距角的作用:在沒(méi)有細分驅動(dòng)器時(shí),用戶(hù)主要靠選擇不同相數的步進(jìn)電機來(lái)滿(mǎn)足自己對步距角的要求。如果使用細分驅動(dòng)器,則用戶(hù)只需在驅動(dòng)器上改變細分數,就可以大幅度改變實(shí)際步距角,步進(jìn)電機的?相數?對改變實(shí)際步距角的作用幾乎可以忽略不計。 采用細分技術(shù)與步進(jìn)電機精度提高的關(guān)系:步進(jìn)電機的細分技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù),其主要目的是減弱或消除步進(jìn)電機的低頻振動(dòng),提高電機的運轉精度只是細分技術(shù)的一個(gè)附帶功能。細分后電機運轉時(shí)對每一個(gè)脈沖的分辨率提高了,但運轉精度能否達到或接近脈沖分辨率還取決于細分驅動(dòng)器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠(chǎng)家的細分驅動(dòng)器精度可能差別很大;細分數越大精度越難控制。
真正的細分對驅動(dòng)器要有相當高的技術(shù)要求和工藝要求,成本亦會(huì )較高。國內有一些驅動(dòng)器采用對電機相電流進(jìn)行“平滑”處理來(lái)取代細分,屬于“假細分”,“平滑”并不產(chǎn)生微步,會(huì )引起電機力矩的下降。真正的細分控制不但不會(huì )引起電機力矩的下降,相反,力矩會(huì )有所增加。 生產(chǎn)廠(chǎng)家對步進(jìn)電機驅動(dòng)系統的通俗表述如下:
步進(jìn)電機是一個(gè)把電脈沖轉換成離散的機械運動(dòng)的裝置,與其匹配的驅動(dòng)器共同組成一個(gè)可控的步進(jìn)電機運動(dòng)系統,具有良好的數據控制特性。在接受來(lái)自控制器(PLC、單片機等可編程處理器)的工作指令(開(kāi)關(guān)脈沖信號)時(shí),其驅動(dòng)器依據工作指令向定子繞組有序勵磁,使定子內部建立一個(gè)實(shí)時(shí)響應的脈動(dòng)的、非連貫性變化的磁場(chǎng),并作用于周邊帶有很多小齒的轉子,使轉子產(chǎn)生旋轉運動(dòng),即施加 一個(gè)脈沖,馬達轉動(dòng)一步。在理想的情況下,其轉子旋轉的速度、累計旋轉角度完全同步于控制器輸入的脈沖頻率及脈沖數,因而,只需在規定的時(shí)間內向步進(jìn)電機運動(dòng)系統提供有效的工作指令,轉子將會(huì )被準確地驅動(dòng)到設定的角度位置,在進(jìn)一步的工作指令到來(lái)之前,始終保持在該位置。
步進(jìn)電機的雙向驅動(dòng)、固有的剎車(chē)制動(dòng)性能、可適當調整的輸出扭矩、功率控制、精確的位置度、高分辨率、良好的數字交互界面,且僅采用開(kāi)環(huán)控制即能達到良好的使用效果等是其顯著(zhù)的優(yōu)勢。而且與伺服系統比較,其單位體積輸出功率大、轉動(dòng)慣量小、無(wú)漂流及起動(dòng)峰涌現象、無(wú)位置累積誤差等良好優(yōu)點(diǎn),是一種成本低廉的數字控制類(lèi)電機。
正由于具備以上固有的優(yōu)點(diǎn),在眾多領(lǐng)域已奠定了其應用地位,并被廣泛應用于需要控制旋轉角度、速度、位置和同步性的諸多領(lǐng)域,如辦公室自動(dòng)化、安防、醫療設備,紡織品機器、舞臺燈光、販賣(mài)機與售票機,機械自動(dòng)化等。
選用步進(jìn)電機時(shí)應注意以下幾點(diǎn):
1、一般應選用力矩比實(shí)際需要大百分之五十到百分之百的步進(jìn)電機,因為步進(jìn)電機不能過(guò)負載運行,即便是瞬間過(guò)載都可能造成失步、停轉或不規則原地來(lái)回作動(dòng)。
2、上位控制器輸入的脈沖電流必須夠大(一般要>10mA),以確保光電耦合器穩定導通,否則會(huì )導致步進(jìn)電機失步;如果輸入脈沖頻率過(guò)高,會(huì )因個(gè)別脈沖接收不到,導致步進(jìn)電機失步。
3、啟動(dòng)頻率不應太高,應在啟動(dòng)程序中設置加速過(guò)程,即從規定的啟動(dòng)頻率開(kāi)始,加速到設定頻率,否則就可能不穩定,甚至處于惰態(tài)。
4、電機如果未固定好,造成強烈共振,也會(huì )導致步進(jìn)電機失步。
5、應了解步進(jìn)電機的固有弱點(diǎn):輸入脈沖頻率過(guò)高,易導致丟步;輸入脈沖頻率過(guò)低,易出現共振;轉速偏高時(shí)扭矩降低明顯。
6、應了解最新型步進(jìn)電機的性能,必要時(shí)選用采用了最新控制技術(shù)的高級步進(jìn)電機系統,高級系統既可以使步進(jìn)電機在高速狀態(tài)下減少共振,還能運用減少步進(jìn)電機反電動(dòng)勢的技術(shù),增加電機在高速狀態(tài)下的扭矩。
選用步進(jìn)電機驅動(dòng)器應注意以下幾點(diǎn):
1、使用步進(jìn)電機驅動(dòng)器注意事項
1)電源電壓要合適(過(guò)壓可能造成驅動(dòng)模塊的損壞),直流輸入的+/-極性不得接錯,驅動(dòng)控制器的電流設定值應該合適(開(kāi)始時(shí)不要太大);
2)控制信號線(xiàn)接牢靠,工業(yè)環(huán)境下應考慮屏蔽問(wèn)題(如采用雙絞線(xiàn));
3)不要一開(kāi)始就把所有線(xiàn)全接上,可先進(jìn)行最基本系統的連接,確認運行良好后再完成全部連接。
4)必須事先確認好接地端和浮空端。
5)剛開(kāi)始運行時(shí),仔細觀(guān)察電機的聲音和溫升情況,發(fā)現異常應立即停機調整。
2、一般步進(jìn)電機驅動(dòng)器識別的最低脈沖脈寬和2細分下的最高接受頻率
一般識別的最低脈沖脈寬不少于2微秒,2細分下的最高接受頻率為40khz左右 3、步進(jìn)電機驅動(dòng)器的一般故障現象
不工作,丟步(也許電機力不夠),時(shí)走時(shí)停,大小步,震動(dòng)大,抖動(dòng)明顯,亂轉,缺相等。
選用步進(jìn)電機控制器應注意以下幾點(diǎn):
1、步進(jìn)電機的驅動(dòng)電路根據控制信號工作,控制信號由單片機(或其它如PLC等)產(chǎn)生。其基本原理作用如下:
(1)控制換相順序
通電換相這一過(guò)程稱(chēng)為脈沖分配。例如:三相步進(jìn)電機的三拍工作方式,其各相通電順序為A-B-C-D,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B,C,D相的通斷。 (2)控制步進(jìn)電機的轉向
如果給定工作方式正序換相通電,步進(jìn)電機正轉,如果按反序通電換相,則電機就反轉。
(3)控制步進(jìn)電機的速度
如果給步進(jìn)電機發(fā)一個(gè)控制脈沖,它就轉一步,再發(fā)一個(gè)脈沖,它會(huì )再轉一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短,步進(jìn)電機就轉得越快。調整單片機發(fā)出的脈沖頻率,就可以對步進(jìn)電機進(jìn)行調速。 2、PLC與步進(jìn)電機驅動(dòng)器接線(xiàn)指南:
q0.0---->控制脈沖 q0.2---->控制方向 L+---->共陽(yáng)端 L+與pul+、dir+相接
q0.0 ----->控制脈沖與pul-連接 q0.2----->控制方向與dir-連接 注意脈沖和方向均串1k電阻
選用步進(jìn)馬達IC應注意以下兩點(diǎn):
1、選用高集成度、技術(shù)成熟的最新馬達IC產(chǎn)品,有利于加快電子類(lèi)運動(dòng)控制產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度,有利于降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的難度,有利于拓寬單一產(chǎn)品的實(shí)際應用范圍,有利于提高產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比。
2、目前技術(shù)領(lǐng)先的高集成度馬達IC產(chǎn)品主要有,德國TRINAMIC運動(dòng)控制產(chǎn)品、東芝馬達IC產(chǎn)品等,這些廠(chǎng)家步進(jìn)馬達IC的共同特點(diǎn)是體積小、集成度高、運行穩定、性?xún)r(jià)比高、供貨渠道穩定多元。 |