步进电机及驱动器知识讲座-cust.ppt

步进电机和驱动器知识讲座，单位：雷电比赛机电技术开发有限公司部门：产品部，主要内容包括：一、步进电机介绍二、驱动器介绍三、电机选型计算方法四、计算例题五、雷电比赛公司步进驱动器命名方法六、雷电比赛公司驱动器产品线介绍七、电机接线八、 评价步进系统好坏的依据九、使用中常见问题和原因分析十、步进驱动系统常见问题(FAQ )十一、步进电机与交流伺服电机性能比较十二、驱动器产品测试比较一、 步进电机介绍步进电机历史定义步进电机工作原理步进电机支架编号步进电机结构步进电机的主要参数步进电机特征，一是介绍步进电机， 步进电机的历史：德国百格拉公司于1973年发明五相混合步进电机及其驱动器的1993年，推出了性能更优异的三相混合型步进电机。 我国到80年代，反应式步进电机占主导地位，混合式步进电机在80年代后期开始发展。 步进电机的定义：一种专门用于精确控制速度和位置的特殊电机，旋转以一定角度(称为步进角)一步一步移动，因此称为步进电机。 3 .步进电机的工作原理以单极性电机为例说明工作原理，4 .步进电机的支架编号：主要是35、39、42、57、86、110等5 .步进电机结构：转子(转子铁心、永久磁铁、旋转轴、滚珠轴承)、定子(绕组、定子铁心)、前后端最典型的二相混合式步进电机定子有8个大齿，40个小齿，转子有50个小齿，三相电机定子有9个大齿，45个小齿，转子有50个小齿。 电机结构图，旋转轴平行剖面图，6 .步进电机主要参数步进电机的相数：指电机内部的线圈组数，目前常用的是二相、三相、五相步进电机。 拍数：指完成一个磁场的周期性变化所需的脉冲数或导电状态用m表示，或电机旋转1个俯仰角所需的脉冲数。 保持转矩：步进电机通电但未旋转时，定子锁定转子的转矩。 步进角：电机转子对应脉冲信号旋转的角位移。 定位转矩：电机未通电状态下电机转子自身的锁定转矩。 失步：电机运行时运行的步数不等于理论步数。 失步角：当转子的齿轴线偏离定子的齿轴线的角度时，电机的运转中存在失步角，失步角引起的误差无法通过细分驱动来解决。 运行转矩频率特性：电机在某个测试条件下测量运行中输出转矩与频率关系的曲线。 7 .步进电动机的特征一般步进电动机的精度为步进角的3-5%，未累积的步进电动机的外观所允许的最高温度依赖于不同的电动机磁性材料的退磁点，步进电动机的转矩随着转速的上升而降低(U=E L(di/dt) I*R ) 转矩频率特性曲线、无负载启动频率：步进电机在无负载下可正常启动的脉冲频率，脉冲频率超过该值时，电机无法正常启动，可能发生失步或锁定。 步进电机的起动速度一般为10100RPM，伺服电机的起动速度一般为100300RPM。 根据马达的大小和负荷的状况，大的马达一般对应较低的起步速度。 低频振动特性：步进电机在连续的步进状态下一边移动一边反复运行。 其阶跃状态的移动产生单级响应。 此外，1步响应图中，电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，谐振部越向上偏移，反之亦然。步进电机低速旋转时振动和噪声大是其固有缺点， 通过改变减速比等机械传动来避免共振区域，克服二相混合式步进电动机低速运转时的振动和噪音，即采用具有细分化功能的驱动器，切换为俯仰角小的步进电动机，将电感大的电动机更换为交流伺服电动机时，振动在电动机轴上附加了磁阻尼器中高频稳定性电动机的固有频率推定值：式中： Zr是转子齿数Tk，电动机负载转矩j是转子旋转贯通量，二， 步进驱动器介绍恒流驱动单极性驱动微步进驱动步进电机闭环伺服控制on与off时的电机绕组电流与电压的关系电压与电流与转矩的关系，二、介绍步进驱动器，步进驱动器：使步进电机旋转的功率将来自控制器的脉冲信号转换为步进电机的角位移，与电机的转速和脉冲频率成比例，因此能够精密地调速控制脉冲频率，能够精密地定位控制脉冲数。 电动机控制原理图和恒流驱动恒流控制的基本思想通过控制主电路中MOSFET的导通时间(即调节MOSFET触发信号的脉冲宽度)来控制输出驱动电压，以便控制电动机绕组电流。 h桥恒频斩波器恒相电流驱动电路的原理框图、电流PWM细分驱动电路的示意图、单极性驱动、单极性驱动原理图、双极性驱动原理图、微步进驱动微步进驱动技术是电流波形控制技术。 其基本思想是控制各相的绕组电流的波形，使阶梯上升或下降，即在0和最大值之间赋予多个稳定的中间状态，从而在定子磁场的旋转中也有多个稳定的中间状态，与电动机转子的旋转对应的步数增加，步进角减少。 采用细分驱动技术，可以大幅提高步进电动机的步进分辨率，减小转矩变动，避免低频谐振，降低运行噪声，是步进电动机的微步驱动电路的基本结构框图，步进角：控制系统在每次产生步进脉冲信号时v :电机转速(R/S) p :脉冲频率(Hz) e :电机固有步进角，实用式：转速(r/s)=脉冲频率/(电机旋转1圈的整步数*细分数)，m :细分数(整步为1，半步为2 )，电机绕组电流波形分析，步进电机的闭环伺服控制， 步进电动机矢量控制位置伺服系统框图、系统硬件结构图、6、导通与截止时电动机绕组电流与电压的关系、t导通时有：t截止时有：电压与电流与转速转矩的关系，在步进电动机恒定的情况下，向驱动器供给的电压值对电动机性能影响较大电压越高，步进电机产生的转矩越大，在需要高速应用的情况下越有利，但电机的发热随着电压电流的增加而变大，因此要注意电机的温度不要超过最大限制值。 参考经验值：步进电机驱动器的输入电压一般设定为步进电机驱动器额定电压的325倍。 建议： 57台电机为直流24V-48V，86台电机为直流36-70V，110台电机高于直流80V。 对变压器进行降压、整流、平滑而得到的直流电源，平滑电容器的容量可通过将C=(8000XI)/V(uF)I作为绕组电流(a )的工序经验式选择，v为直流电源电压(v )、(3)，电动机选择计算方法电动机最大速度选择电动机定位精度的选择电动机转矩选择，3 )，电动机选择计算方法， 选择电机时，电机最大速度选择步进电机最大速度一般按照6001200rpm的步骤进行。 交流伺服电机的额定速度一般为3000rpm，最大转速为5000rpm。 机械传动系统应根据该参数进行设计。 2 .选择电机定位精度确定机械的齿轮比后，可根据控制系统的定位精度选择步进电机的步进角和驱动器的细分等级。 一般选择的电机的1步角相当于系统定位精度的1/2以下。注：细分级别为1/4以上时，无法保证步进角的精度。 伺服电机编码器的分辨率选择：分辨率比定位精度高一位数。 3 .选择电动机转矩步进电动机的动态转矩难以立即确定，通常确定电动机的静态转矩。 静转矩的选择依据是电机工作的负荷，负荷可分为惯性负荷和摩擦负荷。 直接起动时(一般为低速)考虑两种负荷，加速起动时主要考虑惯性负荷，定速运行时考虑摩擦负荷。 一般来说，静力矩最好在摩擦负荷的23倍以内。 静扭矩被选择后，决定电动机的床和长度的(几何尺寸)惯性矩，在式中，dV是以体积元、物体密度、r是以体积元和旋转轴的距离来计算的。 单位： kgm2，负荷质量换算成电机输出轴上的惯性矩，一般传动机构和公式如下：加速度计算、控制系统定位准确，物体运动需要加减速过程。 已知加速时间、最大速度Vmax，电机的角加速度：(rad/s2)，电机转矩计算，转矩计算公式：公式中： TL是从系统外力换算成电机的转矩传动系统的效率。 四、例题(直线运动)运动学计算、动力学计算、选择计算同步带径和步进电机细分数m电机转矩、选择电机模型、四、计算例题(直线运动)、直线平台水平往复运动、最大行程L=400mm、同步带传动； 往复运动周期为T=4s，重复定位误差为0.05mm； 平台运动质量M=10kg，无外力。 求出：电机型号、同步带轮直径、最大细分数。 平台结构的概略图、运动学计算的平均速度为加速时间0.1S (步进电机的一般加速时间为0.11秒)(伺服电机的一般加速时间为0.050.5秒)，加减速时间合计为0.2S，加减速过程的平均速度为最大速度的一半。 因此，由于l=0.2 VMAX/21.8 VMAX=0.4m增益： Vmax=0.4/(0.2/2 1.8)=0.211m/s，因此加速度：加速距离：等速距离：减速距离与加速距离相同，动力学计算， 同步带需要张力： F=Ma f，摩擦力： f=Mg导向摩擦系数=0.1时，摩擦力： f=0.1109.8=9.8N惯性力：F1=Ma=102.11=21.1N，因此，同步带需要张力F=F1 f=21.1 9.8=30.9N， 如果选择同步带直径和步进电机细分数m，同步带直径=30mm的周长为c=3.14=3.1430=94.2mm，则定位精度：脉冲当量=c/(200 m ) c/(2000.05 )=94.2/(2000.05 )=9. 42最大转速c=0.211/(94.2/1000)=2.24r/s，第二级驱动轮径为3=30mm第一级原动轮的直径为1=25mm的减速比： i=1:3； 明显细分数过大，最大转速过低。 但是，同步带直径也不是2倍小，所以只要增加一级减速，第一级从动轮的直径就会变成2=75mm； 电机的最大转速为驱动器的细分数：因此4细分即可。 实际脉冲当量：计算电动机的转矩，选择电动机形式，根据第2级主动带轮上的转矩： T2=F3/2级主动带轮上、即电动机轴上的转矩： t1=t2i=f3/2i=0.155nm同步带的效率、导轨和滑块的组装误差由于没有考虑同步皮带轮的摩擦和转动惯量等，步进电机在高速时转矩大幅度降低，因此将安全系数作为3比较保险。 因而，如果选择电动机转矩To=0.1553=0.465Nm、57HS09，则其静止转矩为0.9Nm。与57HS09类似的电机转矩频率特性图如下： 2细分(半步):nmax=403r/min=2687pps时，T=50Ncm=0.5Nm，5，雷电比赛公司步进驱动器的命名方法，6，雷电比赛公司驱动器生产线介绍，7， 电机布线方法步进电机驱动器的布线方法光电分离原件的作用：电分离、耐噪声共阳极接合法、共阴极接合法和差动方式接合法、共阳极接合法、差动方式的典型布线方法、4、6和8线电机的布线方法， 4线电机和6线电机的高速模式：输出电流设定为电机额定电流值以下的6线电机高转矩模式：输出电流设定为电机额定电流的0.7倍的八线电机并联连接法：输出电流为电机单极性连接法电流的1.4倍的八线电机串联连接法：输出电流为电机单极性连接法电流的0.7倍八、评价步进系统好坏的依据是：1)振动、噪声(运行稳定性)2)中高速转矩3 )温度上升(发热状况)4)保护功能5 )可靠性，9 )使用中常见问题和原因分析，十、步进驱动系统常见问题，一、什么是步进电机？ 步进电机在什么情况下使用？ 步进电机是将电脉冲转换为角位移的驱动器。 一般地，当步进驱动器接收到脉冲信号时，使步进电机在设置方向上旋转预定角度(和步进角)。 通过控制脉冲数，可以控制角位移量，实现正确的定位。同时，通过控制脉冲频率，可以控制电机的转速和加速度，达到调速的目的。 因此，需要正确定位和调速控制时，可能使用步进电机。 2、步进电机有哪些种类？步进电机有永磁式(PM )、反应式(VR )和混合式(HB )的永磁式步进一般为二相，转矩和体积小，步进角一般为7.5度或15度的反应式步进一般为三相，大欧美等发达国家在80年代被淘汰了。 混合式步骤是永磁式和反应式混合的优点。 分为两相四相和五相。 二相步进角一般为1.8度，五相步进角一般为0.72度。 该步进电机的应用最广泛。 3、什么是保持转矩？ 保持转矩(HOLDINGTORQUE )是指在步进电机通电但不旋转时，定子锁定转子的转矩。 步进电机的最重要参数之一，通常，步进电机的低速转矩接近保持转矩。 保持转矩越大，电机的负载能力越强。 由于步进电机的输出转矩随着速度的增大而减小，输出功率也随着速度的增大而变化，所以保持转矩成为步进电机的重要参数之一。 例如当称为2N.m的步进电机时，只要不特别说明，保持转矩是指2N.m的步进电机。 4、步进电机有几种驱动方式？ 一般而言，步进电机有恒压、恒流驱动两种，恒压驱动已经被淘汰，目前一般使用恒流驱动。 5 .步进电机的精度如何？ 积蓄吗？ 一般步进电机的精度为步进角的3-5%。 由于步进电机离步不会影响下一步的精度，所以不会累积步进电机的精度。 6 .步进电机的外观温度允许多少？ 如果步进电机的温度过高，则首先电机的磁性材料会减磁，转矩会下降或丧失。 因此，电动机外观所允许的最高温度必须依赖于不同电动机的磁性材料的减磁点，通常磁性材料的减磁点为摄氏130度以上，因此步进电动机的外部气温在摄氏80度至90度完全正常。 7、为什么步进电机的转矩会随着转速的上升而下降？ 当步进电机旋转时，电机各相绕组的电感成为反电动势的频率越高，反电动势越大。 因此，随着电动机的频率(或速度)变大，相电流减少，转矩降低。8、为什么步进电机能够以低速正常运转，但不能以一定速度以上的速度起动，伴随着尖叫声？ 步进电机具有无负载起动频率，即步进电机在无负载下可以正常起动的脉冲频率，当脉冲频率超过该值时，电机不能正常起动，有可能发生失步或锁定。 如果有负载，请降低启动频率。 为了使电机高速旋转，必须在脉冲频率的加速过程中，即启动频率低，以一定的加速度上升到所需的高频率(电机转