步进电机 驱动器.ppt

步进电机 驱动器 1 Motor的基本理论 4 2相 5相SteppingMotor的力矩Torque特性 3 SteppingMotor的基本应用及特性 2 SteppingMotor的基础理论 5 Micro Step驱动技术的仪器分析 6 SteppingMotor的选定 目录 Motor的基础理论 电场 磁场 相互产生的源泉 Source和Sink互存 不存在Source和Sink 相互存在 相互消失 可以将源与尾分开 以Dipole状态存在 源与尾不可分 Battery PermanentMagnet除外 电场与磁场的相互性 电场 Electricfield 磁场 Magneticfield 磁感应强度 一般符号 一般符号 用语 单位 用语 单位 AT A m Wb TorG H m F NI H B Rm 磁阻 磁力 磁场强度 磁通 透磁率 V V m A C m2 F m V E I D R 电压 电动势 电场强度 电流 转速密度 介电常数 电阻 Motor的基础理论 电与磁的相互性 电动机 发电机 电力变化为机械力 机械力变化为电力 电磁力 Magneticswitch ElectricSolenoid ElectricActuator etc 电磁力 Hamilton的原理 将产生机械力 电磁力 F J B Hamilton的原理 所有物体将受最小化 安定化 方向的力的作用 F 电磁力 J 电流强度 B 磁感应强度 Motor的基础理论 Motor 力矩的概念 略 Vectorproduct T F r Torque的意义 T Torque F 力 外力 r 旋转体的半径 Motor的基础理论 Torque Motor的基础理论 Motor的分类 由脉冲信号控制机械角度进行旋转的MOTOR 由脉冲信号简单控制旋转角度 旋转速度的MOTOR 对脉冲信号的频率 按一定比例增加旋转速度MOTOR SteppingMotor的基础理论 SteppingMotor的定义 通过对电流的ON OFF对电机旋转的进行控制 脉冲的频率 控制旋转的速度 脉冲的数量 控制旋转的角度 VRtypeSteppingMotor的构造及旋转原理 无反馈Feedback信号 OpenLoop 位置及控制速度 SteppingMotor的基础理论 VariableReluctance VR typeSTEPPINGMOTOR PermanentMagnet PM typeSTEPPINGMOTOR Hybrid HB typeSTEPPINGMOTOR SteppingMOTOR 反应式STEPPINGMOTOR 转子 ROTOR 软磁材料 定子 STATOR 突出型金属材料结构 外缠Coil 可获得精密的STEP角 适合小型 轻量化 永磁式STEPPINGMOTOR转子 固定为永久性磁铁定子 突出型金属材料结构 外缠Coil 适合小型 轻量化 较难获得精密的step角 混合式STEPPINGMOTOR转子 轴方向固定永久性磁铁定子 多个突出型金属材料以齿装 teeth 外缠Coil的结构 可获得较精密的STEP角 适合小型 轻量化 2相 3相 5相 SteppingMotor的基础理论 SteppingMotor的分类 A B C A SteppingMotor的基础理论 SteppingMotor的旋转 三相 定子 转子 A B C A SteppingMotor的基础理论 SteppingMotor的旋转 三相 A B C A SteppingMotor的基础理论 SteppingMotor的旋转 三相 SteppingMotor的基础理论 SteppingMotor旋转的物理条件 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 五相SteppingMotor的结构 定子齿 轴 转子 轴承 外壳 线圈 定子 永久磁铁 转子齿 绝缘体 转子ROTOR部分 五相SteppingMotor的结构 定子STATOR部分 五相SteppingMotor的结构 五相SteppingMotor的结构 SteppingMotor的基础理论 产生不同对极N S磁场的励磁线圈对数 常用m表示 一 相数 二 拍数 完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态 用n表示 三 步进角 对应一个脉冲信号 电机转子转过的角位移 用 表示计算公式 360度 转子齿数J 相数 通电状态系数 保持转矩 HOLDINGTORQUE 是指步进电机通电但没有转动时 定子锁住转子的力矩 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 四 保持转矩 HOLDTORQUE 五 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 六 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 不加负载的情况下 能够直接起动的最大频率 七 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 电机功率 0 1027 RPM 扭矩 其中电机功率的单位是瓦 W RPM表示是电机每分钟多少转 扭矩 也是我们通常说的保持力矩 它的单位是N m1N m 10kgf cm PPS就是pulsepersecond的缩写 RPM就是revolutionperminute的缩写 都是速度的单位 以五相步进电机为例 fullstep的情况下 转动一圈需要500个脉冲 如果是500pps的速度 那么1秒就1圈 所以对应就是60RPM 以此类推 当以FullStep运行时 那么可以按以下公式来计算 X pps Y RPM 500 60 2相 5相电机的力矩分析对比 5相电机力矩特性 2相电机力矩特性 5相电机力矩 力矩变化大 力矩变化小 不平稳 平稳 2相步进电机力矩情况 5相步进电机力矩情况 2相 5相电机的力矩分析对比 电机速度与力矩的关系 ServoMotor和SteppingMotor大小价值比较 控制时无需feedback信号 误差不累积 使用脉冲信号控制 SteppingMotor的结构体系 无反馈Feedback信号的控制方式 Motor的控制方法 开环 OpenLoop 控制 闭环 ClosedLoop 控制 有反馈Feedback信号的控制方式 ServoMotor Controller ControllerDriverMotorSensor 信号的输出顺序 反馈Feedback信号 Driver SteppingMotor SteppingMotor的基本用语及特性 Step角 StepAngle SteppingMotor接受外部信号而进行旋转的机械角度 2相HBtypeSteppingMotor 1 8 5相HBtypeSteppingMotor 0 72 1 Step应答 1 StepResponse 特性 过渡应答特性 单位应答特性 SteppingMotor接受外部1Pulse信号进行以一个机械角度的旋转 STEP角 反方向 角度 时间 失调角 原点处SteppingMotor的实际旋转角度与理论上的旋转角度之间的误差 步进角度误差 以1Pulse信号输入SteppingMotor时 理论上的Motor旋转角度与实际旋转角度的误差 共振 SteppingMotor驱动时 由Driver输入的电脉冲与Motor的固有振动脉冲一致或连同Motor一起固定的机械设备的固有频率一致时 Motor的振动 噪音增加或静止 EX 5相HBtypeSteppingMotor的FullStep值驱动情况下 输入500Pules时 理论上进行360 旋转 实际上旋转了360 02 静止角度误差为0 02 Motor顺时针 CW 旋转角度与逆时针 CCW 旋转角度之差 脱调 SteppingMotor在接收Pulse时不能旋转 5相HBtypeSteppingMotor的旋转速度 rpm fi Motor的输入频率 pps 脱调原因 Motor的旋转速度急剧加 减速 共振 负荷阻力矩超过MotorTorque容量 负荷的急剧变化etc Pull OutTorque 最大输出Torque SteppingMotor正常启动时Torque的范围内 最大输出Torque Pull InRange Pull In领域 最大启动领域 SteppingMotor正常启动时的最大Torque的范围 SlewRange Pull Out领域 SteppingMotor正常启动时Torque的范围内 最大输出Torque范围 最大应答 驱动 频率 MaximumslewingFrequency SteppingMotor能接受的最大频率 Inertia 惯性Moment 运动物体具有的固有惯性由物体的大小 外形 密度决定 mR2 质量为m的基本惯性Moment R 半径 L 长度 不同惯性的负荷 SteppingMotor频率的变化特性 频率 惯性特性 最大自启动频率 pps 负荷惯性Moment kg cm2 J0 Motorrotor的惯性 Moment Static 静 特性 SteppingMotor静止时的Torque特性 给SteppingMotor输入电流时维持最大的力矩Torque HoldingTorque MaximumofstaticTorque 最大保持力矩 Torque 一般以SteppingMotor的标明容量来使用 静特性 T特性 T I特性 给SteppingMotor输入电流时不同角度时的Torque特性 T矩角特性 输入SteppingMotor的电流不同 而使HoldingTorque变化的特性 T I力矩 电流特性 输入相电流增加 动特性Torque增加 静特性Torque增加 Motor的热增加 随MotorCoil的热量增加使Motor寿命减小 SteppingMotor的step角度以机械性固定方式 Fullstep固定 SteppingMotor的1 2step角度以机械性固定方式 Halfstep固定 2相Motor时 1相励磁 2相励磁方式 3相Motor时 2相励磁 3相励磁方式 5相Motor时 4相励磁 5相励磁方式 2相Motor时 1 2相励磁方式 3相Motor时 2 3相励磁方式 5相Motor时 4 5相励磁方式 Motor驱动時 转子和定子的机械性结构及磁场 电场不平衡所产生的特性 震动特性 Motor线圈有电流流入时的铜损及产生涡流 Eddycurrent 特性 热特性 HBtypeSteppingMotor HBtypeSteppingMotor 以Step角度旋转 磁不平衡机械结构 突出型结构 具有过渡应答特性 Switching驱动 定子线圈的铜损 转子的突出型结构 涡流损耗 I2 R K f2 B2 提供宽的频率范围因而具有平滑的Torque特性 不同的分解数力矩Torque特性不变 5相Motor 2相Motor 用于高分解时 震动大小 一般Step驱动 Micro Step驱动 低速领域 一般Step驱动 Micro Step驱动 高速领域 用于低分解时 Micro Step驱动特性 PullOut特性 震动特性 SteppingMotor的选定 选定顺序 负荷力矩Torque计算 Ball screw驱动 Pulley驱动 TL 负荷Torque N m F 合力 N F0 侧压力 N 1 3F 0 侧压NUT的内部摩擦系数 0 1 0 3 效率 0 85 0 95 i 减速比 PB Ball screwpitch m rev FA 外力 m work和table的总重量 kg 摩擦系数 倾斜角 D 直径 g 重力加速度 m sec2 Wire Belt驱动 Rack Pinion驱动 实测方法 FB 轴启动时的力 N kg g 负荷 步进电机规格参数表 步进电机驱动器规格参数表 步进电机驱动器选型表 新产品 减速齿轮型步进电机 新产品 减速齿轮型步进电机 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200度以上 所以步进电机外表温度在摄氏80 90度完全正常 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法启动 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