浅析步进电机

浅析步进电机邸维汉目录1、 引言2、 步进电机的分类、构造及特点3、 步进电机的工作原理4、 步进电机的技术指标5、 步进驱动器简述6、 步进驱动器控制原理7、 步进电机的驱动1) PLC 控制步进电机2) 单片机控制步进电机8、 步进电机的选型9、 有关失步的处理方法10、 步进电机的常见故障及处理方法11、 步进电机的应用12、 步进电机的发展方向13、 参考文献1、 引言 步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。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。一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。2、 步进电机的分类、构造及特点1） 步进电机的分类按照励磁方式分类：1. 反 应 式 步 进 电 机 （ VR） 。2. 永 磁 式 步 进 电 机 （ PM） 。3. 混 合 式 步 进 电 机 （ HB） 。按输出力矩大小：1. 伺 服 式2. 功 率 式按定子数分：1. 单定子式2. 双定子式3. 三定子式4. 多定子式步进电机的构造按照励磁方式分类，步进电机可分为永磁式、反应式和混合式永磁式步进电机：一般为两相，输出力矩大，动态性能好，但步距角大，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。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。 混合式步进电动机：它综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。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。下面分别介绍各自的结构：永磁式步进电动机：转子或定子任何一方具有永磁材料的步进电动机叫永磁式步进电动机，其不具有永磁材料的一方放有励磁绕组，绕组通以励磁电流后，建立的磁场与永磁材料的恒定磁场相互作用产生电磁转矩。励磁绕组一般为二相或四相.A、B 二相控制绕组当按 AB （-A）（-B） A 顺序通电励磁，转子将顺时针方向转动，此时步距角为 45，改变通电相序就可以改变转动方向。永磁步进电动机的特点是：步距角大，例如 15、22.5 、45、90等。相数大多为二相或四相。启动频率较低。控制功率小，驱动器电压一般为 12V 或 24V,电流濒于 2A。断电时具有一定的保持转矩。如下图，为永磁式步进电机内部结构。磁阻式步进电动机也叫反应式（BF）步进电动机，其实、转子均由软磁材料冲制、叠压而成。定子上安装多相励磁绕组。转子上无任何绕组，转子圆周外表面均匀分布若干齿和槽。定子上均匀分布若干个大磁极，每个大磁极上有数个小齿和槽。其磁路结构为单段式径向磁路。此外还有多段式径向磁路和多段式轴向磁路结构。磁阻式步进电动机相数一般为三相、四相、五相、六相。多段式径向磁路的磁阻式步进电动机是由单段式演变而来的。各相励磁绕组沿轴向分段布置，每段之间的定子齿在径向互相错开 1m 齿距（m 为相数） ，与单段式相比其电感小，转动惯量小，动态性能指标高。但电机的风度差，制造工艺复杂。多段式轴向磁路的步进电动机的励磁绕组为环形绕组，绕组制造和安装都很方便。定子冲片为内齿状的环形冲片，定子齿数和转子齿数相等。每段之间定子齿在径向依次错开 1m 齿距（m 为相数）齿距，转子齿不错位。后两种结构和其他型式的磁阻式步进电动机目前都已很少采用。不论哪一咱磁阻式步进电动机，它们的共同特点是：定转子间气隙小，一般为 0.030.07mm步距角小，最小可做到 10。励磁电流大，最高 20A。断电时没有定位转矩。电机内阻尼较小，单步运行振荡时间较长。步距角大，例如 15、22.5 、45、90等。相数大多为二相或四相。启动频率较低。控制功率小，驱动器电压一般为 12V 或 24V,电流濒于 2A。断电时具有一定的保持转矩。如下图为，反应式步进电机内部结构。感应子式步进电机也叫混合式步进电机：它与反应式步进电动机没有任何区别，只是每极下同时绕有二相绕组或者绕一相绕组用桥式电路按正负脉冲供电。转子上有一个圆柱形磁钢，沿轴向充磁，两端分别放置由软磁材料制成有齿的导磁体并沿圆周方向错开半个齿距。当某相绕组通以励磁电流后，就会使一端的磁极下的磁通增强而使另一端减弱，异性磁极的情况也是同样的，一端增强而一端减弱。改变励磁绕组通电的相序，产生合成转矩可以使转子转过 14 齿距达到稳定平衡位置。这种步进电动机不仅具有磁阻式步进电动机步距小，运行频率高的特点，还具有永磁步进电动机消耗功率小的优点，是目前发展较快的一种步进电动机。感应子式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以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。感应子式某种程度上可以看作是低速同步的电机。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。如下图为混合式步进电机内部结构。3、 步进电机的工作原理电机定子有四个励磁绕阻，转子均匀分布着很多小齿，并加有永磁体使转子轴向分布若干对 N-S 齿极，且 N、S 齿极互相错开 1/2( 为相邻两转子齿轴线间的距离，即齿距) 。定转子齿几何轴线依次向左错开：0、1/4、2/4 、3/4。以下为四相电机定、转子展开后的工作原理图（见图 1） 。 2、四相电机旋转： 以四相单四拍即 ABCDA 通电方式，转子不受外力为例。 第一拍：当 A 相通正向电流（如图示电流方向） ，B、C、D 相不通电时，有工作原理图可看出，定子 A 极产生 S 极磁场，由于磁场作用，转子 N1 齿将与定子 A 极轴线与相对齐，而 N2 齿与 B 极，N3 齿与 C 极，N4 齿与 D 极，N5 齿与 A 极的轴线以次向右错开1/4, 2/4, 3/4,1。 （如图 1） 第二拍：当 B 相通正向电流， A、C、D 相不通电时，N2 齿将于 B 极轴线相对齐，此时转子向右转过 1/4，而 N3 齿与 C 极，N4 齿与 D 极，N5 齿与 A 极轴线以次向右错开1/4, 2/4, 3/4。 同理，第三拍 C 相通正向电流，转子又向右转过 1/4。第四拍 D 相通正向电流，D 与 N4相对齐，转子再次向右转过 1/4,N5 齿与 A 极轴线向右错开 1/4。 当再到 A 相通正向电流时， N5 齿与 A 极轴线相对齐，至此转子转过一个齿距 ，如果不断地按 A-B-C-D-A通电，电机就按每步（每脉冲）1/4 向右连续旋转。如按 A-D-C-B-A通电，电机则反转。 如果通的不是正向电流而是反向电流，定子产生的不是 S 极而是 N 极，每相通电时对应的S 齿与其轴线向对齐，旋转的方向不变。 3、二相电机旋转： 不难发现：当 A 通正向电流时 N1 齿与 A 极轴线相对齐，S3 齿与 C 极轴线向对齐，与 C 相通反相电流的效果一样。A 相通反向电流和 C 相通正向电流的效果一样。同样 B 相和 D 相的关系与 A 和 C 的关系一样。 在 A 相通正向电流时同时在 C 相通反向电流，在 C 相通正向电流时同时在 A 相通反相电流，在通 B、D 相电流时也一样。这样的通电方式显然比四相单四拍通电时励磁绕组的利用率高，电机产生的力矩大。用 A 表示 A 相通正相电流， 表示 A 相通反向电流，B 表示 B 相通正向电流， 表示 B 相通反向电流。四相单四拍 ABCDA 通电方式就可以用 AB A 单四拍的通电方式。这种只有 A，B 二种励磁绕组通电方式称二相驱动，这样的电机称二相电机。 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。 4、 步进电机的技术指标1） 步进电机的静态指标a) 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。 b) 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。c) 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指电机转过一个步距角所需脉冲数，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。d) 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）。 e) 保持转矩：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2Nm的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2Nm的步进电机。 2） 步进电机的动态指标a) 步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。b) 失步：电机运转时运转的步数不等于理论上的步数。称之为失步。c) 失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。d) 最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。e) 最大空载运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。f) 运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如图 6 所示。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流） ，平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。如图 7 所示其中，曲线 3 电流最大、或电压最高；曲线 1 电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，或采用小电感大电流的电机。g) 电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，步进电机的共振区一般在50转/分至80转/分之间或在180转/分左右，电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。因此，在使用步进电机时应避开此共振区。5、 步进驱动器简述步进驱动器：是一种能使步进电机运转的功率放大器，能把控制器发来的脉冲信号转化为步进电机的角位移，电机的转速与脉冲频率成正比，所以控制脉冲频率可以精确调速，控制脉冲数就可以精确定位。步进驱动器按驱动方法有可分如下四种 恒流驱动 单极性驱动 双极性驱动 微步驱动 6、 步进驱动器控制原理步距角：控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。“细分驱动”概述：将“ 电机固有步距角 ”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通过驱动器精确控制步进电动机的相电流实现的，与电机本身无关。其原理是，让定子通电相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一次降为 0（绕组电流波形不再是近似方波，而是 N 级近似阶梯波） ，则定子绕组电流所产生的磁场合力，会使转子有 N 个新的平衡位置（形成 N 个步距角） 。对实际步距角的作用：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对步距角的要求。如果使用细分驱动器，则用户只需在驱动器上改变细分数，就可以大幅度改变实际步距角，步进电机的相数 对改变实际步距角的作用几乎可以忽略不计。真正的细分对驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求，成本亦会较高。国内有一些驱动器采用对电机相电流进行“平滑”处理来取代细分，属于“假细分”， “平滑”并不产生微步，会引起电机力矩的下降。真正的细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加。电机固有步距角 所用驱动器类型及工作状态 电机运行时的真正步距角 0.9/1.8 驱动器工作在半步状态 0.9 0.9/1.8 驱动器工作在5细分状态 0.36 0.9/1.8 驱动器工作在10细分状态 0.18 0.9/1.8 驱动器工作在20细分状态 0.09 0.9/1.8 驱动器工作在40细分状态 0.045 实用公式：转速(r/s）=脉冲频率 /（电机每转整步数*细分数） V：电机转速（R/S）；P：脉冲频率（Hz）；e：电机固有步距角；m：细分数（整步为1，半步为2）(/)360ePVrsm7、 步进电机的驱动使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：1） PLC 控制步进电机2） 单片机控制步进电机8、 步进电机的选型步进电机有步距角（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。一般采用二相 0。9 度/1。8 度的电机和细分驱动器就可。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=M=2n/60P=2nM/60其 P 为功率单位为瓦， 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=2fM/400(半步工作）其中 f 为每秒脉冲数（简称 PPS) 9、 有关失步的处理方法失步及其危害 ：步进电动机正常工作时，每接收一个控制脉冲就移动一个步距角，即前进一步。若连续地输入控制脉冲，电动机就相应地连续转动。步进电动机失步包括丢步和越步。丢步时，转子前进的步数小于脉冲数；越步时，转子前进的步数多于脉冲数。一次丢步和越步的步距数等于运行拍数的整数倍。丢步严重时，将使转子停留在一个位置上或围绕一个位置振动，越步严重时，机床将发生过冲。步进电动机是开环进给系统中的一个重要环节，其性能直接影响着数控系统的性能。电动机失步会影响数控系统的稳定性和控制精度，造成数控机床加工精度下降。 失步原因及解决方法 1转子的加速度慢子步进电动机的旋转磁场 转子的速度 n 慢于步进电动机的旋转磁场，即低于换相速度时，步进电动机会产生失步。这是因为输入电动机的电能不足，在步进电动机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的旋转速度，从而引起失步。由于步进电动机的动态输出转矩随着连续运行频率的上升而降低，因而，凡是比该频率高的工作频率都将产生丢步。这种失步说明步进电动机的转矩不足，拖动能力不够。解决方法：使步进电动机本身产生的电磁转矩增大。为此可在额定电流范围内适当加大驱动电流；在高频范围转矩不足时，可适当提高驱动电路的驱动电压；改用转矩大的步进电动机等。使步进电动机需要克服的转矩减小。为此可适当降低电动机运行频率，以便提高电动机的输出转矩；设定较长的加速时间，以便转子获得足够的能量。 2转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度 转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度，这时定子通电励磁的时间较长，大于转子步进一步所需的时间，则转子在步进过程中获得了过多的能量，使得步进电动机产生的输出转矩增大，从而使电动机越步。当用步进电动机驱动那些使负载上、下动作的机构时，更易产生越步现象，这是因为负载向下运动时，电动机所需的转矩减小。解决方法：减小步进电动机的驱动电流，以便降低步进电动机的输出转矩。 3步进电动机及所带负载存在惯性 由于步进电动机自身及所带负载存在惯性，使得电动机在工作过程中不能立即起动和停止，而是在起动时出现丢步，在停止时发生越步。解决方法：通过一个加速和减速过程，即以较低的速度起动，而后逐渐加速到某一速度运行，再逐渐减速直至停止。进行合理、平滑的加减速控制是保证步进驱动系统可靠、高效、精确运行的关键。 4步进电动机产生共振 共振也是引起失步的一个原因。步进电动机处于连续运行状态时，如果控制脉冲的频率等于步进电动机的固有频率，将产生共振。在一个控制脉冲周期内，振动得不到充分衰减，下一个脉冲就来到，因而在共振频率附近动态误差最大并会导致步进电动机失步。解决方法：适当减小步进电动机的驱动电流；采用细分驱动方法；采用阻尼方法，包括机械阻尼法。以上方法都能有效消除电动机振荡，避免失步现象发生。5. 步进电机温度过高会使电机的磁性材料退磁,会导致力矩下降，也会导致失步。10、 步进电机的常见故障及处理方法一如何控制步进电机的方向？1、 可以改变控制系统的方向电平信号 2、 可以调整电机的接线来改变方向具体做法如下： 对于两相电机，只需将其中一相的电机线交换接入驱动器即可，如 A+和 A-交换。对于三相电机，将相邻两相的电机线交换， 如：A,B,C 三相，交换 A,B 两相就可 二步进电机振动大，噪声也很大，什么原因？ 遇到这种情况是因为步进电机工作在振荡区，解决办法：1、 改变输入信号频率 CP 来避开振荡区。2、 采用细分驱动器，使步距角减少，运行平滑些。 三为什么步进电机通电后，电机不运行？1、 过载堵转（此时电机有啸叫声）2、 电机是否处于脱机状态 3、 控制系统是否有脉冲信号给步进电机驱动器，接线是否有问题 四，步进电机抖动，不能连续运行，怎么办？ 1、 遇到这种情况，首先检查电机的绕组与驱动器连接有没有接错 2、 检查输入脉冲信号频率是否太高，是否升降频设计不合理。 五、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 ? 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。 六、如何选择步进电机驱动器供电电源？ 确定驱动器的供电电压，然后确定工作电流；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 的 1.11.3 倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取 I 的1.52.0 倍。 七、如何选择步进电机驱动器供电电压？ 步进电机驱动器，都是宽压输入，输入电压很大的范围可以选择；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。如果选择较低的电压有利于步机电机的平稳运行，振动小。 八、细分驱动器的细分数是否能代表精度? 细分也叫微步，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。 九、为什么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。 11、 步进电机的应用随着新材料、新技术的发展及电子技术和计算机的应用, 步进电动机及驱动器的研制和发展进入了新阶段。步进电机除了结构简单、使用维护方便、工作可靠, 在精度高等特点。还有下列优点: 步距值不受各种干扰因素的影响。转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率。转子运动的总位移量则取决于总的脉冲信号数。误差不积累。步进电动机每走一步所转过的角度与理论步距值之间总有一定的误差, 走任意步数以后, 也总有一定的误差。但每转一圈的累积误差为零, 所以步距的误差不积累。控制性能好。起动、转向及其他任何运行方式的改变, 都在少数脉冲内完成。在一定的频率范围内运行时, 任何运行方式都不会丢一步的。由于步进电动机有上述特点和优点而广泛应用在机械、治金、电力、纺织、电信、电子、仪表、化工、轻工、办公自动化设备、医疗、印刷以及航空航天、船舶、兵器、核工业等国防工业等领域。12、 步进电机的发展方向1. 步进电机发展可探究的几个方面：步进电