UIRobot培训-----第一课

1、UIRobt UIRobot培训培训 第一课第一课 1 UIRobt2 主要内容主要内容 一，步进电机介绍一，步进电机介绍 二，步进电机驱动器知识二，步进电机驱动器知识 三，三，UIM2400X驱动控制器介绍驱动控制器介绍 四，补充知识四，补充知识 2 UIRobt 第一部分第一部分 关于步进电机的相关知识关于步进电机的相关知识 3 UIRobt 步进电机发展史步进电机发展史 步进电机与电磁铁、柱塞泵同一时期开发，法国人佛罗曼提出了将电 磁铁的吸引力转化为旋转力矩的方法。 1920年步进电机的才开始实际应用，称为VR(Variable Relutance，变磁 阻)型步进电机，被英国海军用作定

2、位控制和远程遥控。 混合式fIB( Hybrid的缩写，是VR与PM复合的意思)型步进电机大约在 1952年，由美国GE公司的Karl Feiextag开发的发电机演变而来。而后由 美国的Superior Electric公司和Sigma Instruments公司开发出两相1. 8度 步距角的HB型步进电机。 步进电机的大规模应用是在1977年，两相步进电机(图1.1)被应用于 FDD(floppy disk drive软盘驱动器)输出轴的驱动上。 我国在80年代以前一直是反应式步进电机占统治地位，混合式步进电 机在80年代后期才开始发展。 4 UIRobt 什么是步进电机？什么是步进电机？

3、 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执 行机构。它同时完成两个工作：一是传递转 矩，二是控制转角位置或速度。 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（即步进角）。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。 5 UIRobt 步进电机的分类及各自特点步进电机的分类及各自特点 步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）。 （1）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度 或1.5度； （2）反应式步进一般

4、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； （3）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、 三相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度，混 合式步进电机随着相数（通电绕组数）的增加，步进角减小，精度提 高，这种步进电机的应用最为广泛。 6 UIRobt 步进电机的优点步进电机的优点 无积累误差 采用数字脉冲信号控制，不需数模转换，便 于和计算机联接 结构简单、成本低、无滑环和电刷， 便于 维修 可堵转运行而不会烧毁 可以开环控制，抗干扰能力强，启动、反转、 定位都很方便 7 UIRobt 步进

5、电机的缺点步进电机的缺点 外表承受温度过低，过高电机的磁性材料退磁，从而导致 力矩下降甚至于丢失，步进电机外表温度在摄氏 度完全正常； 效率低，一般在60%以下； 响应速度比较慢，步进电动机从静止加速到工作速度（一 般为几百RPM），需要200-400ms； 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， 步进电机的力矩会随转速的升高而下降； 步进电动机在速运转时易出现低频振动现象； 过载能力比较低，所以在步进电机在启动时无法克服惯性 负载，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大 转矩的电动机启动瞬间的惯性力矩； 8 UIRobt 步进电机的结构步进电机的结构

6、 9 UIRobt 普通型两相四线制 注意：判断电机线序是否同相有两点办法： a:任意两根线短接，电机轴承有卡顿现象，证明此 两根线同相； b:万用表打到档，同相的电阻在10-100以内，异 相电阻在K以上； UIRobt 关于步进电机的专业术语关于步进电机的专业术语 A相数 H电机矩频特性 B步距角 I共振点 C静力矩 J丢步 D定位力矩 E步距脚精度 F最大空载启动频率 E最大空载运行频率 G相电流 11 UIRobt 相数：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。 步距角：步距角： 对应一个脉冲信号，电机转子转 过的角位移。一般二相电机的步距角为 1

7、.8 度，即电机运动200 步为一周。 步距角精度：步距角精度：一般步进电机的精度为步进 角的3-5%，且不累积。 12 UIRobt 静力矩（静力矩（HOLDING TORQUE，也称为保持力，也称为保持力 矩）：矩）： 是指步进电机通以额定电流但没有 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 低速时的转矩接近静力矩。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。 13 UIRo

8、bt 定位力矩（定位力矩（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。 步距角精度：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。 相电流：相电流： 电机绕组所通过的电流。 14 UIRobt 最大空载起动频率：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。 最大空载的运行频率：最大空载的运行频率： 电机在某种驱动形 式、电压及额定电流下，电机不带负载的 最高运行频率。 15 UIRobt 电机矩频特性：电机矩频特性： 电机在某种测试条件下测 得运行中输出力矩与脉冲频率关

9、系的曲线 称为电机矩频特性，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。 在低速时的电机力矩接近静力矩，随着电 机速度的增加，电机输出力矩不断衰减。 电机的动态力矩取决于电机运行时的相电 流在额定电流和电压下，相电流越大，电相电流越大，电 机输出力矩在低速时越大，电压越高，高机输出力矩在低速时越大，电压越高，高 速运转时力矩越大。速运转时力矩越大。 同一电机的矩频特性 曲线在不同驱动器下的表示是会有差异的， 所以选型时要留有余量。 16 UIRobt 电机的共振点：电机的共振点： 步进电机均有相对固定的 共振区域，2、4 相混合式步进电机的共振 区一般在180250pps 之间（

10、步距角1.8 度）。为使电机输出力矩大，不失步及使 系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共 振区较多。注意：细分会改变共振区的位 置。 丢步（失步）：丢步（失步）： 控制器给电机发了 n 个脉 冲，步进电机并没有转动n 个步距角。一般 当电机力矩偏小、加速度偏大、速度偏高、 摩擦力不均匀等都会使丢步现象发生。 17 UIRobt 步进电机的外表温度允许达到多少步进电机的外表温度允许达到多少? 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

11、200度以上，所以 步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 18 UIRobt 为什么步进电机的力矩会随转速的升高而下降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。 19 UIRobt 为什么步进电机低速时可以正常运转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但若高于一定速度就无 法启动法启动,并伴有啸叫声并伴有啸叫声? 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

12、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）。 20 UIRobt 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? 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； 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； C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五 相步进电机； D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震 动和噪声，但成

13、本较高； 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。 21 UIRobt 为什么步进电机会出现串、并联的情况？为什么步进电机会出现串、并联的情况？ 许多 2 相步进电机有8 根引线，这种电机既 可以串联连接又可以并联连接。 串联连接的串联连接的 电机，电流较小，低频力矩较大；并联连接电机，电流较小，低频力矩较大；并联连接 的电机，电感较小，所以启动、停止速度较的电机，电感较小，所以启动、停止速度较 快，高频力矩有所增大。快，高频力矩有所增大。 22 UIRobt 第二部分第二部分 步进电机驱动器步进电机驱动器 23 UIRobt 什么是步进电机驱动器？什么是步进电机

14、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。 24 UIRobt 步进电机的驱动方式步进电机的驱动方式 一般来说，步进电机有恒压、恒流驱动两 种。恒压驱动已近淘汰，目前普遍使用横 流驱动。 恒流控制的基本思想是通过控制主电路中 MOSFET的导通时间，即调节MOSFET触发信 号的脉冲宽度，来达到控制输出驱动电压 进而控制电机绕组电流的目的。 25 UIRobt 如何简单调如何简单调 整两相步进电机通电后的运转方整两相步进电机通电后的运转方 向？向？ 将

15、电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-） 对调即可。 26 UIRobt 步进电机驱动细分步进电机驱动细分 细分驱动技术是一种电流波形控制技术。 其基本思想是控制每相绕组电流的波形， 使其阶梯上升或下降，即在0和最大值之间 给出多个稳定的中间状态，定子磁场的旋 转过程中也就有了多个稳定的中间状态， 对应与电机转子旋转的步数增多、步距角 减小。采用细分驱动技术可以大大提高步 进电机的步距分辨率，减小转矩波动，避 免低频共振及降低运行噪声。 27 UIRobt28 细分驱动器的细分数是否能代表精度细分驱动器的细分数是否能代表精度? 步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术， 其主要目的是减

16、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。 一般来说当细分等级大于1/4后，步距角的精度不 能保证。 28 UIRobt 混合式步进电机驱动器的使能信号混合式步进电机驱动器的使能信号ENA一般一般 在什么情况下使用？在什么情况下使用？ 当使能信号ENA为低电平时，驱动器输出到 电机的电流被切

17、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可以用 手动直接转动电机轴，就可以将ENA置低， 使电机脱机，进行手动操作或调节。手动 完成后，再将ENA信号置高，以继续自动控 制。 29 UIRobt 步进电机驱动器的三种接线方式步进电机驱动器的三种接线方式 （1）光电隔离元件的作用：电气隔离，抗干扰 （2）三种接线方式：共阳极接法、共阴极接法、 差分式接法 30 UIRobt 31 UIRobt 第三部分第三部分 UIM2400X系列驱动器介绍系列驱动器介绍 32 UIRobt 特性特性 宽电压输入1240VDC 电流输出2A/4A/8A峰值可

18、调相电流，微步1 16 细分 H桥双极恒流 输入信号光电隔离，标准共阳极单脉冲 自动电流减半 33 UIRobt 34 UIRobt 典型接线图 35 UIRobt 当使用24V加载共用端时，需用2K 附加 限流电阻。每个信号端口都需要使用单 独附加电阻。注意，光电隔离的发射二 极管前向压降为1.15V。 36 UIRobt 如何调整输出电流？如何调整输出电流？ A，保证驱动器背面的电流减半拨码（即拨码开关1）处于OFF状态（即 数字端）； B,映射电压关系如下： UIM24002:映射电压0-2V对应0-2A输出电流； UIM24 004:映射电压1.5V-4V对应1.5A-4A工作 电流。

19、 UIM24008:映射电压1.5V-4V对应3-8A工作电流。 37 UIRobt 如何调整细分？如何调整细分？ 38 UIRobt 第四部分第四部分 补充知识补充知识 39 UIRobt 常见电源的分类常见电源的分类 线性电源线性电源-例如实验室电源，波 纹较小。 开关电源开关电源-机器设备常用，工作效 率高 40 UIRobt 两种电源比较两种电源比较 1、线性电源精度好，纹波小，调整率好，对外干扰小， 适用多种场合。 2、线性电源功率器件工作在线性状态，因此损耗相对开 关电源较高一点，效率上开关电源好一些。 3、开关电源的尺寸相比线性电源要小但是开关电源有污 染电网和幅射干扰的问题。 4、开关电源不适宜用做在输出高电压大电流时0电压起调 的连续可调的场合，但适用于固定输出或相对固定输出对 辐射干扰没有太