步进电机培训教材.doc

步 进 电 动 机 简 介一、 步进电动机概述1.1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。这种电动机以规定的次序对定子线圈励磁，每次只转动一定的角度。这种电动机主要特点如下：（1）控制电路 步进电动机的驱动控制电路是将脉冲分配到各相线圈中去的逻辑分配电路，或者是对线圈提供励磁的驱动开关电路。这种电路同其他伺服控制电路相比较是很简单。（2）对数控机器的适应性 步进电动机很容易同应用微机的设备组合起来，优点是对旋转角度、速度、正反转；启动停止等动作的控制准确、迅速。（3）定位控制 直流电动机等伺服电动机进行定位控制时，使转子保持在某一角度，一定要不间断通电，以达到制动作用。而步进电机只要维持励磁就能得到保持转矩。永磁型、混合型步进电动机即使切断励磁也能得到定位转矩；因此，用步进电动机实现准确的定位控制既简单、成本又低。（4）步距角误差 步进电动机的角度误差通常是基本步距角的5%左右，因此输入脉冲没有积累误差，所以定位精度很高。 （5）低转速、高转矩 步进电动机与其他类似电动机比较，是属于低速、高转矩电动机。其他伺服电动机的工作转速在1000rpm以上，而以每秒1000个脉冲的速度来驱动1.8的步进电动机时转速只有300rpm，以它是属于低转速、高转矩的电动机。 （6）速度可变控制 步进电机的旋转角度同输入脉冲成正比，旋转速度同输入的脉冲（频率）成正比，只要简单的改变脉冲速率，就能达到大幅度控制速度变化的目的。 （7）可靠性高 步进电机除了轴承以外没有电刷、换向器等磨损部分，无须特殊的维修保养是可靠性高寿命长的电动机。 （8）稳定性差 步进电动机的驱动转矩随着转子旋转的位置而变化，而每次励磁都会引起转矩的波动，所以速率的波动比较大。另外电动机的转矩和惯量决定着电动机固有的频率和驱动脉冲速率，同步进电动机安装的固有的振动之间引起共振，而产生共振噪音，这是一大缺点。 2.2步进电动机的历史 进入20世纪有关步进电动机的发明不断出现。最初美国的Andrew T MacCoy发明了电动打字机用的步进电动机，这是一种带逆转轮的结构的永磁步进电动机，步距角为30。这种电动机获得了1907年美国专利。 1923年苏格兰的James Weir French发明了VR三相步进电动机。 2.3步进电动机的分类 根据步进电动机的结构可以分为三大类：（1） 磁阻式步进电动机（Variable-reluctance type）（反应式）（2） 永磁式步进电动机（permanent magnet type）（3） 混合式步进电动机（hybrid type） （感应子式） 1.磁阻式步进电机，这种步进电机磁阻是可变的，也称VR型步进电机。追溯历史在19世纪中期，这种步进电机的结构是最基础的。定子和转子上配置有一定间距的突极，当对线圈励磁时，定子和转子的突极相互吸引成直线状，利用这一原理获得步进式转矩。每一相突极分别错开一定的轴相角度重叠排列。 2.永磁式步进电机，也称PM步进电机，转子采用永磁磁钢。这种步进电机定子采用冲压方式加工成爪型齿极，转子采用径向多极充磁的永磁磁钢。这种电动机成本低廉。 3.混合式步进电机，也称BH型，是VR型和PM型的结合形式。它在VR型电动机的转子或者定子上配置永磁磁钢，由于气隙部分偏置（梢加正电压或负电压）磁场，所以输出轴转矩上升，提高效率。 2.4步进电机的应用 应用领域：计算机外部设备、摄影系统、观点组合装置、阀门控制、数控机床、自动绕线机、医疗设备、电子钟表、自动绣花机、办公自动化、家电行业。二、反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。1、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：2、旋转：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 3、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量）当转子与定子错开一定角度产生力F与（d/d）成正比 其磁通量=Br*SBr为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=NI/RNI为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。三、永磁式步进电机机构及工作原理（爪极型）1. 结构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。 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2（a）所示的平衡 位置。当把A，B相通电转换成AO，B-O两相通电后，这是B段定子极片极性全部反向。转子将向左移动一步，如图2(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。 三、 步进电机的特性 1、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。（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）。2、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。(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。3、矩频特性 图3（矩频曲线）4、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。(a) 步响应特性，图三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。 （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。 5、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50300PPS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。6、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）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.。（c）磁滞精度：步进电机目前所处的静止位置会因旋转方向不同而产生差异，具体的说顺时针方向到一个位置和逆时针方向转到同一位置，二者之间是有误差的，将二者之间的误差用%来表示或用角度来表示就是磁滞精度。具体的测试方法：是从任意首先以同一方向一步一步地转动电机360，测出每一步的实际位置为1，2n，然而再反方向一步一步地回到原来的位置，测试出每一步的停止位置1，2n。 磁滞精度=n-n(最大值)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。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。 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12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。 五、 步进电机主要性能参数；（在不同的装置或系统中，应充分注意步进电机的运行特点，全面考虑技术经济指标）1.电性能：(electric performance)1） 相数（number of phase）2） 驱动方式(drive model)3） 步距角(step angle)4） 额定电压(voltage)5） 直流电阻(resistance of per phase)6） 最大空载牵出频率(max response frequency)7） 最大牵入频率(max response frequency)8） 牵入转矩(put in torque)9） 绝缘电阻(insulation resistance)10) 绝缘介电强度(dielectric break down of insulation)11) 绝缘等级12) 温升(temperature of motor bobbin coil)2.机械性能:(mechanical performance)1) 外观(outside view)2) 电机结构及外形尺寸(motor structure and size)3) 重量(weight)4) 摩擦转矩(frictional torque of output shaft)5) 噪音(noise level)6) 输出轴机械强度(output shaft mechanical strength)7) 引出线强度(lead wire strength)8) 自定位转矩(detent torque)六、 测试方法及规则：1.试验电源 a)输出电压波动不超过2%； b)电压波动系数不大于5%； c)各相静态电流不平衡不大于2%。2直流电阻试验后的电机在常温下放置到稳定温度（不少于2h）后，用电阻测量仪测量每相绕组的直流电阻，按式（1）换算到25时的直流电阻。（计算公式见式1）式1： R=Rt/ 1+(t-25) - (1)式中： R 温度为25时的绕组直流电阻， ； Rt 温度为t时的绕组直流电阻， ； 温度系数，铜导线=0.004， 1/ ； t - 测量绕组直流电阻Rt时的室温, 。3最大空载牵入频率电机空载，加额定电压，采用预置脉冲数或其它能检查失步的方法，使电机从锁定状态突然起动，测出转子在三个不同位置的正反两个转向的最高牵入频率。4最大空载牵出频率 电机空载，加额定电压，逐渐升高脉冲频率，采用能检查失步的方法，测出电机在正反两个转向的能不失步的最高牵出频率。5牵入转矩 电机加额定电压、额定频率，采用预定脉冲数或其它能检查失步的方法，先加上一定的负载，然后从锁定状态突然起动，测出转子在三个不同位置的正反两个转向的不失步的最大转矩。6自定位转矩电机不通电，用力矩表将转矩加到输出轴上，缓慢增加转矩，直到输出轴开始连续旋转前的最大转矩。7摩擦转矩电机两相加额定电压锁定转子，用力矩表将力矩加到输出轴上，使输出轴开始连续旋转时的力矩。8温升电机在常温常湿下放置到稳定温度（不小于2h）后，测量绕组的直流电阻R1和此时的室温t1，然后电机加额定电压，频率为100Hz空载运行到稳定温度（不小于2h）后，测量同一绕组和直流电阻R2和此时的室温t2，温升按式（2）计算。（计算公式见式2）式2：= （R2-R1）/R1 (235+t1)+（t1-t2）- ( 2 )式中： 电机温升， K； R2 绕组达到通电稳定温度时的直流电阻 ； R1 绕组达到不通电稳定温度时的直流电阻 ； t1 测量绕组直流电阻R1的室温， ；t2 测量绕组直流电阻R2的室温， 。9噪声将电机置于垫有20mm厚毛毡的木制V形槽内，然后电机加额定电压，频率为100Hz，空载运行15s后用精密声级计的传声器置于离电机端面（轴伸侧）100mm处，测出声功率级（A计权）。10输出轴机械强度在电机输出轴离轴端3mm处，逐渐施加19.6N的径向力，历时10s后，无变形和结构破坏。在电机输出轴的轴线方向，逐渐施加19.6N的轴向拉力，历时10s后，无变形和结构破坏。在电机输出轴的轴线方向，逐渐施加19.6N的轴向推力，历时10s后，无变形和结构破坏。11引出线强度 电机端和插头端的引线垂直向下，将9.8N的力分别逐渐施加于每根引出线的末端，加力时应使引出线的芯线和绝缘层均受力，历时10s后，无拉断及绝缘层和芯线无脱落和损伤。四、混合式步进电机：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