步进电机原理(all)

永磁式步进电机原理2012年 4月1中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司目 录 一、步进电机概述； 二、永磁式步进电机结构及工作原理（爪极型）; 三、步进电机常用术语 四、步进电机的特性； 五、步进电机主要性能参数； 六、测试方法及规则； 七、摩擦机构打滑原理 ； 八、常 见 故障及改善 对 策；2中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司一 .步进电动机概述 步进电机特点 步进电动机（ stepping motor）也称脉冲电动机、脉动电动机、分级电动机；更老一些叫法也叫阶动电动机。步进电机是将电脉冲转换成角位移位的一种执行机构。3中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司 型号含意；如： 24 B Y J 4 8一 .步进电动机概述4中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司二、永磁式步进电机机构及工作原理（爪极型） 1. 结构由定子、转子、减速箱三大部分组成 永磁爪极步进电机的典型结构如图 1所示。整个电动机定转子的轴向均分为两段，中间由隔磁片隔开，两段互相间叉开一个步距角，每均由定子，转子以及套在定子的一个环形绕组所组成。 每段定子内孔圆周上的极片呈爪形作环形对称排列，外面并绕两套反向串联的环形绕组，定子两段环形磁钢同向同轴联结径向充磁。5中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司步进电机结构图6中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司电机分解图7中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司 电机定子由 -线圈（线球）、机壳、中齿板、上齿板组成。 电机定子8中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司 电机转子材料：烧结铁氧体、注塑铁氧体、稀土钕铁硼等 电机转子通过充磁分为 8个极对数与定子的 8爪相匹配 电机转子9中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司 定子与转子的间隙与力的关系1、定子与转子的间隙过大，电机的输出力及自定位、定子与转子的间隙过大，电机的输出力及自定位力矩就会变小，出现吊力不良等现象。力矩就会变小，出现吊力不良等现象。2、定子与转子的间隙过小，就会出现转子与定子容、定子与转子的间隙过小，就会出现转子与定子容易擦壳，出现吊力不良、擦壳声等现象。易擦壳，出现吊力不良、擦壳声等现象。10中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司二、永磁式步进电机机构及工作原理 2. 工作原理 设上段两反向绕组分别为A， A-两相，其中下段两反向绕组分别为 B， B-两相，当在 AO和 BO两相绕组通电时，同一段内相领极片呈相反极性，转子在定子极片处于图 3（ a）所示的平衡 位置。11中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司永磁爪极步进电机工作原理图当把 A， B相通电转换成AO， B-O两相通电后，这时定子极片极性全部反向。转子将向右移动一步，如图 3(b)所示 .如果继续改变通电状态，即由ABAB-A-B-AB 转子就会步进旋转，若改变通电顺序 ABA-BA-B-AB 则电机反向旋转。12中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司永磁爪极步进电机工作原理图13中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司三、步进电动机的常用术语1、步距角：指每给一个电脉冲信号电动机转子应转过的角度的理论值。步距角（ ）： b =360/m1p 式中 P-转子极对数；m1-动行拍数，通常等于相数或相数 的整数倍，即 m1=km;m-电动机相数。2、转速通常指转子运转一周的速度（减速步进电机指输出轴速度）转速（ RPM） : n=f b /6式中： f=电源频率b = 步距角14中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司三、步进电机的常用术语3、静态转矩特性（ a） 保持转矩 (holding torque)是指步进电机在励磁状态，用外力旋转输出轴时，抗拒外力所产生的最大转矩。保持转矩也叫最大静止转矩、最大保持转矩、堵转转矩。保持转矩大小随励磁电流的大小、励磁方式不同而不同。同一电动机二相励磁比起一相励磁通常保持转矩大 1.4倍 ， 但不能误认为通电相数越多，合成转矩越大。由于转矩受电源参数及电流大小的影响，会出现通电相数少时的转矩反而比通电相数多时大。步进电机的转速和转矩变化范围较宽，又受电源结构的影响，很难用功率表示步进电机的力能指标，而只能给出最大静转矩值。15中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司（ b） 自定位转矩 ：在电动机中使用永磁 的 PM型步进电机、 HB型步进电机，即使没有励磁电流，由于磁钢所产生的磁场也会有持续作用于转子的转矩使之处于一个稳定平衡状态。在这没有励磁状态下，从外部对输出轴施加转矩时，而产生的最大值称为自定位转矩（ detent torque）。 自定位转矩也称为无励磁保持转矩或剩余转矩（ residual torque）。4、动态转矩特性（ dynamic torque characters ）(a) 牵入转矩特性 所谓牵入转矩（ pull-in-torque characteristics） 就是一种负载转矩 ,具体做法是用在直接连接在输出轴的滑轮上垂吊砝码的方法对轴加三、步进电机的常用术语16中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司上负载 ,再交替任意加上驱动脉冲、停止，使电动机一会儿启动，一会儿停止，这时电动机不得不有误动所测得的临界转矩。换而言之如果增加了所吊砝码的重量，就要引起电动机误转动，这时求得的临界转矩；表示驱动脉冲同临界转矩之间关系的这种特性称牵入转矩。在空载状态下，究竟多快的脉冲速率电动机就不能启动了，这种临界速度称最大自启动频率（max starting frequency）。 步进电机运转速度大多用脉冲速度表示，具体就是用在单位时间内施加的脉冲数（ PPS） 表示。三、步进电机的常用术语17中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司(b) 牵出转矩特性牵出转矩特性（ pull-out-torque characteristics）也叫牵出 (pull in)特性、转换 (slewing)特性。具体就是首先以一定负载使电动机自启动，然后逐步提高输入到电动机的脉冲速率，当脉冲速率提高到某一速率时就会引起电动机误动或者停转，牵出转矩特性就是表示这一临界脉冲和负载转矩之间的关系的特性。当空载时，脉冲速度超过此频率电动机就不能响应，称这一脉冲速率为最大响应频率（ max response frequency） 要求牵出转矩曲线时，先使电机启动，保持一定的输入脉冲速度不变，逐渐增加三、步进电机的常用术语18中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司负载转矩直到电机停止转动，这时求得临界转矩值，可以得到同样的特性曲线称这一曲线上的转矩为牵出转矩，这一值肯定比牵入转矩高。称牵出转矩和牵入转矩之间的范围为工作区域，在这一区域内运转时必须注意当改变脉冲速率时，不会因误步进或共振而引起失步。三、步进电机的常用术语19中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司5、响应特性步进电机运转时，只要看一看旋转角度（ rad）、 旋转角速度（ rad/s） 随时间的推移是如何变化的，就明白转子是一边振动一边旋转的，停止时是先过冲后再一边作衰减振动一边停下来。称表示这种旋转震荡过程的特性为响应特性，其中只输入一个脉冲时旋转震荡结果的特性叫单步响应特性，输入连续脉冲时的响应特性称为连续响应特性。这种响应特性也叫动特性， 为了防止共振、振动应采取最合适的运转方式，这是十分重要的特性。 单步响应特性， 图中 所示是静态转矩和单步响应的关系，当输入一次脉冲转子向目标平衡点（ A）， 当到达 A点时由于转子惯量不能马上停止，而要略转过头。三、步进电机的常用术语20中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司（ b） 连续响应特性 步进电机应随脉冲信号旋转，应根据输入的脉冲速率按比例变化旋转。但是由于转子、负载的惯量，转子的实际动作总要比脉冲速率早一点或迟一点，有时跟不上脉冲信号的变化会失步。6、共振特性步进电机每输入一次脉冲目标稳定点就会更换，不断的产生新的转矩，一边牵引着负载转矩一边持续旋转。当接近目标位置，产生的转矩也变小，然后又有新的脉冲输入，转子按照转换成的大转矩加速。这种振动周期三、步进电机的常用术语21中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司同输入脉冲的周期同步就会发生共振，这是步进电机的缺点。步进电机的共振频率如果只有电动机的固有振动频率的数倍数，在 50 300PPS左右产生共振，称低频共振；如接近电动机的电气常数的 1000PPS左右的工作区域产生共振，称中频共振；再往上的高速范围发生共振称高频共振。7、矩角特性步进电机转子离开平衡位置后所具有恢复转矩，随着转角偏移而变化。步进电机静转矩与失调角的关系称为矩角特性。假设其按正弦规律变化，用数字公式表示如下：T=-TKsine三、步进电机的常用术语22中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司TK-最大静转矩（ N.m）e-用电角度表示的位移角 ()。8、角度精度特性：特别对于用作定位控制的步进电机，角度精度是个十分重要的特性，因为这一精度直接影响到装置本身的性能，可以用这一精度来判定装置是否合格。（ a） 静态角度精度（ Positional accuracy） 也叫作静止位置精度，理论上是用偏离静止位置的误差来表示的。具体做法是在电机的输出轴上加一个对于评价精度有足够分解力的编码器，当从任何位置使电机旋转 N步时，理论上的全部旋转角度 NX（ 基本步距角）同实际从编码器测得的旋转角度之间的误差用曲线表示，其最大值 Qmax和最小（负最大值）三、步进电机的常用术语23中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司Qmax之间的 1/2幅度，再用 %来表示这就是静止角度精度。另外也有用角度来表示静止角度精度。b） 步距角精度（ step accuracy） 也叫领接角度精度、步进精度。是评价一步距实际测得角度和理论角度（基本步距角）之间的偏差精度。具体的计算方法是从任意位置，一步一步地使电动机旋转 360，实际测出每一步的旋转位置，再在每一步中算出领接的实际旋转角度 n， 最后求出 n和理论步距 角 Qs之间的差 dn.。三、步进电机的常用术语24中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司9、温升（ a） 静态温升：电机静止不动时，按规定的运行方式中最多的相数通额定静态电流，达到稳定热平衡状态时的温升。步进电机是一种效率不太高的机电能量转换器件，应该允许其长时间在静止不动的状态下通以额定电流，温升最高限度有绝缘等级决定。一般采用电阻法测量电机温升。（ b） 动态温升：电机在某一频率下空载运行，按规定的时间进行工作，运行时间结束后电机达到的温升。和静态温升不同，静态温升仅与绕组的铜耗决定，而动态温升除铜耗外，铁耗也影响动态温升。三、步进电机的常用术语25中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司10、转矩特性：表示最大静转矩和单相通电时电流的关系。随着电流的增加，开始时，静转矩随电流变化线性增加，当电流增加到一定数值时，转矩便缓慢地增加呈线饱和趋势，继而不增加。11、惯频特性启动频率与负载惯量的关系叫做惯频特性。启动频率在负载转矩及其它条件不变的情况下，随着负载惯量的增加而下降。三、步进电机的常用术语26中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司四、步进电机运转方式 .步进电机的励磁所谓励磁就是让电流流过线圈，使定子极磁化，只要不断交替转换励磁就能够使电机旋转。二相电动机的励磁方式，常见的有如下 4中 ：1） 1相励磁方式2） 2相励磁方式3） 12 相励磁方式除此之外还有双 12 相励磁方式，这是微步进励磁中步进角 最粗 的特殊情况。27中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司1、 1相励磁方式1相励磁方式电动机只有 1相线圈，对这一相线圈依次通电励磁。由于这种方式在某些期间有线圈完全没有电流通过，所以电机的导体利用率比较低。缺点是产生转矩小，但反过来也带来了输入小、温升低的优点。2、 2相励磁方式2相励磁方式是 A和 B相 2个线圈同时励磁的方式，这是步进电机最常见的方法。四、 步进电机 运转方式 .28中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司3、 12 相励磁方式这 12 相励磁方式是 1相励磁和 2相励磁交替组成的励磁方式， 1相励磁的稳定平衡点和 2相励磁稳定平衡点电气角 45，及错开 1/2基本步距角，所以用这种励磁方式可以使电机停在基本步距角的一半处。因而这种励磁方式又称半步进励磁。与此相对应基本步距角旋转的励磁方式也称为全步进励磁。用 1相励磁产生的转矩变动小，不易受到共振频率变化的影响，因此可以用这种方式解决振动的噪音的问题。四、步进电机运转方式 .29中山惠利普电机有限公司中山惠利普电机有限公司五、步进电机主要性能参数；1.电性能： (electric performance)1） 相数（ number of phase）2） 驱动