步进电机的基本原理

2016年05月25日

步进电机基础入门

 

摘要:步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

关键词脉冲控制   永磁  励磁

 

一、步进电机的构造(以5相步进为例)

     步进电机的构造主要采用图示的方式进行讲解:

     步进电动机构造上大致分为定子与转子两部分。 转子由转子 1、转子 2、永久磁钢等 3 部分构成。而且转子朝轴方向已经磁化,转子 1 N 极时,转子 2 则为 S 极。

 

   定子拥有小齿状的磁极,共有 10个,皆绕有线圈。 其线圈的对角位置的磁极相互连接着,电流流通后,线圈即会被磁 化成同一极性。(例如某一线圈经由电流的流通后,对角线的磁极将 同化成 S 极或 N 极。) 对角线的 2个磁极形成 1个相,而由于有 A相至 E相等 5个相位,因此称为 5 相步进电动机。

                 系统构成图示

   转子的外圈由 50个小齿构成,转子 1 和转子 2 的小齿于构造上互 相错开 1/2 螺距。由此转子形成了100个小齿。目前已经有转子单个加工至100齿的高分辨率型,那么高分辨率型的转子就有200个小齿。因此其机械上就可以实现普通步进电机半步(普通步进电机半步需要电气细分达到)的分辨率。

                   电动机构造图2∶与转轴成垂直方向的断面图

二、步进电机的运转原理。

实际上经过磁化后的转子及定子的小齿的位置关系,在此说明如下。 首先解释励磁,励磁就是指电动机线圈通电时的状态。

A相励磁


A 相励磁,会使得磁极磁化成 S 极,而其将与带有 N极磁性的 转子 1 的小齿互相吸引,并与带有S极磁性的转子 2 的小齿相斥, 于平衡后停止。此时,没有励磁的 B相磁极的小齿和带有 S极磁性 的转子 2 的小齿互相偏离 0.72°。以上是 A 相励磁时的定子和转子小齿的位置关系。

 

 

  •   B相励磁

 其次由 A 相励磁转为 B 相励磁时,B 相磁极磁化成 N 极,与拥有 S极磁性的转子 2 互相吸引,而与拥有 N极磁性的转子 1 相斥。

 

 

 也就是说,从 A 相励磁转换至 B 相励磁时,转子转动 0.72°。由此可知,励磁相位随 A相→ B相→ C相→ D相→ E相→ A相依次转换,则步进电动机以每次 0.72°做正确的转动。同样的,希望作反方向转动时,只需将励磁顺序倒转,依照 A相→ E相→ D相→ C相→ B相→ A相励磁即可。

0.72°的高分辨率,是取决于定子和转子构造上的机械偏移量,所以不需要编码器等传感器即可正确的定位。下图就5相步进每次的位移量是0.72°进行更详细的说明:

  由于第一组定子正好与转子相对应吸引。就势必会导致第二组定子与对应的转子相偏离(定子与转子齿距一样,但是各自所在的2个圆不一样大)。而这个偏离值正好是齿距的十分之一。因此普通5相步进的步距角为:360°/50齿/10=0.72°

       高分辨率5相步进的步距角为:360°/100齿/10=0.36°

 

另外,就停止精度而言, 会影响的只有定子与转子的加工精度、组装精度、及线圈的直流电阻的不同等而已,因此可获得 ±3 分(无负载时)的高停止精度。 实际上步进电动机是由驱动器来进行励磁相的转换,而励磁相的转换时机则是由输入驱动器的脉冲信号所进行。以上举的是 1相位励磁的例子,实际运转时,为有效利用线圈同时进行 4相或 5相励磁的。

 

三、步进电动机的特征

1、运转需要的三要素:控制器、驱动器、步进电动机

    以上三部分是步进电机运转必不可少的三部分。控制器又叫脉冲产生器,目前主要有PLC、单片机、运动板卡等等。

2、运转量与脉冲数的比例关系

3、运转速度与脉冲速度的比例关系

4、本身具有保持力

    步进电机只有在通电状况下,才具备自我保持力。在停电状况下 ,自我保持力消失。

  因此在升降设备传动时,务必使用附电磁刹车型步进电机。

 

四、结束语

虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能像普通的直流电机,交流电机在常规下就能使用。它必须由脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。但是万丈高楼平地起,从步进电机的基础开始学习,无疑为将来的应用打好扎实的基础。

1.步进电机为什么要配步进电机驱动器才能工作?
  
步进电机作为一种控制精密位移及大范围调速专用的电机, 它的旋转是以自身固有的步距角角(转子与定子的机械结构所决定)一步一步运行的, 其特点是每旋转一步,步距角始终不变,能够保持精密准确的位置。所以无论旋转多少次,始终没有积累误差。由于控制方法简单,成本低廉,广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行需要有脉冲分配的功率型电子装置进行驱动, 这就是步进电机驱动器。它接收控制系统发出的脉冲信号,按照步进电机的结构特点,顺序分配脉冲,实现控制角位移、旋转速度、旋转方向、制动加载状态、自由状态。控制系统每发一个脉冲信号, 通过驱动器就能够驱动步进电机旋转一个步距角。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。角位移量与脉冲个数相关。步进电机停止旋转时,能够产生两种状态:制动加载能够产生最大或部分保持转矩(通常称为刹车保持,无需电磁制动或机械制动)及转子处于自由状态(能够被外部推力带动轻松旋转)。步进电机驱动器,必须与步进电机的型号相匹配。否则,将会损坏步进电机及驱动器。

2.
什么是驱动器的细分?运行拍数与步距角是什么关系?
 
细分是针对步距角而言的。没有细分状态,控制系统每发一个步进脉冲信号,步进电机就按照整步旋转一个特定的角度。步进电机的参数,都会给出一个步距角的值。如110BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°(表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°),这是步进电机固有步距角。通过步进电机驱动器设置的细分状态,步进电机将会按照细分的步距角旋转位移角度,从而实现更为精密的定位。以110BYG250A电机为例,列表说明:
电机固有步距角运行拍数细分数电机运行时的真正步距角
0.9
°/1.8° 8 2细分,即半步状态 0.9°
0.9
°/1.8° 20 5细分状态 0.36°
0.9
°/1.8° 40 10细分状态 0.18°
0.9
°/1.8° 80 20细分状态 0.09°
0.9
°/1.8° 160 40细分状态 0.045°

  
可用看出,细分数就是指电机运行时的真正步距角是固有步距角(整步)的几分指一。例如,驱动器工作在10细分状态时,其步距角只有步进电机固有步距角的十分之一。当驱动器工作在不细分的整步状态时,控制系统每发一个步进脉冲,步进电机旋转1.8°;而用细分驱动器工作在10细分状态时,电机只转动了0.18°。其实,细分就是步进电机按照微小的步距角旋转,也就是常说的微步距控制。当然,不同的场合,有不同的控制要求。并不是说,驱动步进电机必须要求细分。有些步进电机的步距角设计为3.6°7.5°15°36°180°,就是为了加大步距角,以适应特殊的工况条件。细分功能,只是是由驱动器采用精确控制步进电机的相电流方法,与步进电机的步距角无关,而与步进电机实际工作状态相关。
 
运行拍数与驱动器细分的关系是:运行拍数指步进电机运行时每转一个齿距所需的脉冲数。例如:110BYG250A电机有50个齿,如果运行拍数设置为160,那么步进电机旋转一圈总共需要50×1608000步;对应步距角为360°÷80000.045°。这就是驱动器设置为40细分状态。对于用户来说,没有必要去计算几步几拍,这是生产厂家配套的事情。用户只要知道:控制系统所发出的脉冲率数,除以细分数,就是步进电机整步运行的脉冲数。例如:步进电机的步距角为1.8°时,每秒钟200个脉冲,步进电机就能够在一秒钟内旋转一圈;当驱动器设置为40细分状态,步进电机每秒钟旋转一圈的脉冲数,就要给到8000个。

3.
驱动器细分有什么好处?
  
步进电机驱动器采用细分功能,能够消除步进电机的低频共振(震荡)现象,减少振动,降低工作噪音。随着驱动器技术的不断提高,当今,步进电机在低速工作时的噪音已经与直流电机相差无几。低频共振是步进电机(尤其是反应式电机)的固有特性,只有采用驱动器细分的办法,才能减轻或消除。
  
利用细分方法,又能够提高步进电机的输出转矩。驱动器在细分状态下,提供给步进电机的电流显得持续、强劲,极大地减少步进电机旋转时的反向电动势。
  
驱动器的细分功能,改善了步进电机工作的旋转位移分辨率。因此,步进电机的步距角,就没有必要做得更小。选择现有的常规标准步距角的步进电机,配置40细分以下的驱动器,就能够完成精密控制任务。由于步进电机步距角的原因,驱动器的细分数再加大,已经没有实际意义。通常,选择58101620细分,就能够适应各种工控要求。


4.
步进电机的运行方向有几种方法调整?
 
平时,采用三种方法来该变步进电机的旋转方向。
一、改变控制系统的方向信号,即高电平或低电平。
二、对于有两路脉冲输入的驱动器,改变脉冲的顺序。
三、调整步进电机其中一组线圈的两个线头位置,重新接入驱动器。具体方法见下表:
电机接线方式原来接线序列换向后接线序列
两相四线 AA'BB' A'ABB'或者AA'B'B
三相三线 ABC BAC或者ACB
三相六线 AA'BB'CC' BB'AA'CC'或者AA'CC'BB'
五相五线 ABCDE EDCBA

 
5
.四相六根和八根线的,如何使用两相四线驱动器?
  
四相混合式步进电机,可以认为是二相混合式步进电机。多组线圈多个抽头,是为了适应不同工况条件而设计的。由于步进电机的线圈,与转速、转矩有着密切的关系。高速与低速工作的步进电机参数有所不同。通常,高速步进电机的电感要求小一点,低速工作时要求大一点的电感量。但是,这也不是绝对的。更多的实际应用,还考虑权衡其它众多相关因素。下面就几种步进电机的线圈绕组及出线,采用双极性驱动器,说明接线方法:
两相四线电机:1 2为一相,分别接A/A34为一相,分别接B/B。参考下图:

  
四相六线电机,两种方法接线:
  
一、12为一相,分别接A/A56为一相,分别接B/B
3
4不用,分别悬空(不要相连)。
二、13为一相,定义A/A46为一相,定义为B/B25分别悬空不用(不要相连)。
参考下图:

四相八线电机,有两种接法。
并联接法:13相连=A24相连=/A57相连=B68相连=/B
联接法:14为一相,分别接A/A23连接好不用;58为一相,分别接B/B67连接好不用。
参考下图:

6.
四相五线步进电机如何接驱动器?
 
上述四相六线、八线步进电机,都可在生产过程中,接为五线制,适应特殊需要。驱动器就要选择单极性驱动方式,例如HSM8672单极性步进电机驱动器。如上图:四相六线步进电机的25并联为一条线接公共电源;四相八线步进电机的2367并联为一条线接公共电源。其它四条线分别接:A/AB/B


7.
电机在低速运行时正常,为何稍高一点的频率略就会堵转?
  
步进电机跑高速需要高电压支持。步进电机的工作电压,能够适应在较大范围内调整。只要将输入电压加高一点,就可以解决。但是,要特别注意驱动器的输入电压不能高于驱动器电源端标注的最高电压,否则,会烧毁驱动器。

8.
接线全部完好,为何开机时步进电机在抖动而不能运行?
  
步进电机只能够由数字信号控制运行的,当脉冲提供给驱动器时,在过于短的时间里,控制系统发出的脉冲数太多,也就是脉冲频率过高,将导致步进电机堵转。要解决这个问题,必须采用加减速的办法。就是说,在步进电机起步时,要给逐渐升高的脉冲频率,减速时的脉冲频率需要逐渐减低。这就是我们常说的加减速方法。

步进电机转速度,是根据输入的脉冲信号的变化来改变的。从理论上讲,给驱动器一个脉冲,步进电机就旋转一个步距角(细分时为一个细分步距角)。实际上,如果脉冲信号变化太快,步进电机由于内部的反向电动势的阻尼作用,转子与定子之间的磁反应将跟随不上电信号的变化,将导致堵转和丢步。所以步进电机在高速启动时,需要采用脉冲频率升速的方法,在停止时也要有降速过程,以保证实现步进电机精密定位控制。加速和减速的原理是一样的。下面就加速实例加以说明:
加速过程,是由基础频率(低于步进电机的直接起动最高频率)与跳变频率(逐渐加快的频率)组成加速曲线(降速过程反之)。跳变频率是指步进电机在基础频率上逐渐提高的频率,此频率不能太大,否则会产生堵转和丢步。加减速曲线一般为指数曲线或经过修调的指数曲线,当然也可采用直线或正弦曲线等。使用单片机或者PLC,都能够实现加减速控制。对于不同负载、不同转速,需要选择合适的基础频率与跳变频率,才能够达到最佳控制效果。指数曲线,在软件编程中,先算好时间常数存贮在计算机存贮器内,工作时指向选取。通常,完成步进电机的加减速时间为300ms以上。如果使用过于短的加减速时间,对绝大多数步进电机来说,很难实现步进电机的高速旋转。
 
 
很多工控场合,要求步进电机运行平稳、振动小、噪音低、瞬间完成执行指令、高精度定位,都需要在编写软件时使用加减速方法。脉冲频率的不同时间常数,对于某个工控现场步进电机的运行,将会产生不同的控制效果。这就要求控制程序的编写人员,深入了解控制要求,明确运动目标,做到锦上添花,力求完美。
9.
有些场合,步进电机为何还要闭环控制?
本来步进电机,使用开环控制,能够省去很多检测、反馈器件及控制电路,以简单的控制方法,价廉物美的优势,取代很多伺服电机的控制。尤其在低速控制(3000/分钟以下)环境中,使用步进电机精密控制,有很好的性价比。就是采用闭环控制,其成本也要远低于伺服电机的控制系体成本。在某些工控环境中,负载有可能会随机发生过载现象,使用步进电机开环控制,就会发生丢步。此时,控制系统无法知道丢了多少步,继续按照既定目标工作,导致工作失误。这样,就要求在步进电机带动的主轴上安装旋转编码器,或者安装光电探头、磁敏探头、行程开关等器件,来识别位移物体是否到位,采集到的信号反馈到控制系体,适时修正工作参数,指令步进电机准确动作。
10.
控制器与驱动器的连线是否要求屏蔽?
如果只有步进电机一种动力源的工控环境,通常不需要将信号线屏蔽。当步进电机周围,有其它动力源或能够产生干扰信号的高压电磁场,就必须将信号线屏蔽,以保证控制信号的指令,能够正确指令步进电机运动。只要控制信号线中有任何由外部干扰源产生的跳变信号,电流强度达到几个毫安,能够推动光耦合,就能够致使步进电机误动作。因此,为保证步进电机正确执行指令,最好将控制器与驱动器连线加以屏蔽。
11.
远距离控制步进电机如何布线?
  
步进电机与驱动器之间的连线、控制器与驱动器之间的连线,都允许延长。主要测算好电压衰减参数,补偿信号衰减,都能够实现远距离控制步进电机。
12.
步进电机与驱动器之间的连线是否要求屏蔽?
  
绝大多数的工控环境中,无需屏蔽。某些特殊的工控环境中,由于高压强磁场的干扰,还是要求采用屏蔽保护。   

来源:常州合杰电机有限公司
常州合杰电机有限公司
何燕
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