步进电机技术交流(简要)

显示全部楼层 · 2024-8-1 10:05:47

步进电机技术交流

从四个维度简单交流下：

1步进电机原理。

2步进电机VS伺服电机

3负载力矩计算

4步进电机应用

（1）步进电机构造

①、步进电机的断面如右图所示

②、步进电机构造上大致分为定子和转子两部分

③、转子由转子１、转子２、永久磁钢等３部分组成。而且转子朝轴方向已经磁化，转子1为N极时，转子２则为S极。

④、转子的外圈由50个小齿构成，转子１和转子２的小齿于构造上相互错开1/2齿距

⑤、定子拥有小齿状的磁极，共有８个（两相）或10个（五相）或12个（三相），皆绕线圈。

⑥、以两相马达为例，定子极上共有2个线圈，如右图，A相和C相是同一个线圈，B相和D相是同一线圈，定子的每个极上有和转子外圈齿形相同的小齿结构。

（2）步进电机旋转原理

①、两相马达为例，驱动器给定子的绕组按一定的相序通电，转子将按一定的速度旋转。

②、电机整步运行为例，A相通电时，在其定子极上将生成一个磁极，我们假定为N极，将会与转子的S极相互吸引，定子和转子的小齿的凸出部分将会正对吸引。

③、机械结构上，当A相的定子极和转子小齿凸出部分正对时，B相所对应的定子极与转子小齿的凸出部分错开1/4个齿距，C相错开1/2齿距

④、给定子B、C、D相按时序分别通电，转子将分别和定子极B、C、D小齿凸出部分正对，当D相通电后，再到A相通电，如此循环

⑤、A相通电到下一次A相通电，定子绕组共经过4次电流转换，而转子转动距离为一个齿距，即7.2度，每一次电流转换，转子转动1.8度，所以两相马达步距角为1.8度

⑥、绕组通电顺序也可为AB-BC-CD-DA(整步)或A-AB-B-BC-C-CD-D-DA(半步)，当通电顺序为D-C-B-A时，马达将反转

（3）微步驱动

①、给每相绕组按一定相序和频率改变电流大小，而不是简单的接通和断开，原来的1.8°将分成N次完成，即为微步驱动。

②、如右图，10细分时，马达每次转动角度为0.18°，减小了单步运行的距离，马达将获得更平稳的运行效果。

（4）驱动器

①、无论是整步还是细分驱动，输出给马达的电流大小和通电相序的变化都由驱动器控制。

②、驱动器接收脉冲信号和方向信号，脉冲信号的频率和总量控制马达的速度和行程，方向信号通过高低电平转换旋转方向。

（5）两相VS五相步进

①、转子都是50齿，如出现机械丢步都为7.2°的整数倍

②、2相马达定子8个磁极，5相马达定子10个磁极，另外3相马达定子12个磁极

③、2相马达每个定子磁极上有6个凸状小齿，5相马达为4个凸状小齿

④、2相马达每个磁极凸齿多于5相马达，相对于尺寸相同的马达，2相马达力矩大于5相马达

⑤、整步驱动时，2相马达振动大于5相马达，经过细分后，如都为1000PPR时，将获得近乎相同的运行效果。

1

原理不同

步进电机为开环控制，定位主要依靠定转子机械结构；伺服为闭环控制，定位主要依靠编码器。

2

适用范围不同

伺服电机能承受瞬时过载，且力矩恒定，适合于高转速长行程运行；步进电机对信号响应快，适合低转速（1000RPM以下）高响应运行。

3

动态性能不同

响应脉冲信号时，步进电机同步响应，伺服将有一定时间的延迟，步进电机能很简单的做到每秒100次启停，伺服则响应跟不上。

3

响应效果不同

运行完成时，步进马达即时定位，伺服马达在定位点附近循环找位。

（1）负载驱动机构

a、滚珠螺杆驱动

b、直线运动

c、旋转机构

（2）力矩计算

①、负载力矩包括运行力矩（摩擦力矩）和加速力矩

M=Ma+Mf

M：负载力矩（N.m）

Ma：负载加速力矩（N.m）

Mf：负载运行力矩（N.m）

②、运行力矩（摩擦力矩）计算

a.滚珠螺杆驱动

Mf=(1/η+μ0/3)FPB/(2π)

F=FA+mg(sinα+μcosα)

Mf：负载运行力矩（N.m）

FA：负载外力（N）

PB：螺杆螺距（m/rev）

α:螺杆水平时为0，垂直时为90度

η：效率（0.9）；μ：滑动面摩擦系数（0.05）

μ0：预压螺帽内部摩擦系数（0.2—0.3）

m：负载总质量（kg）

b.直线运动

Mf=FD/(2ηi)

F=FA+mg(sinα+μcosα)

Mf：负载运行力矩（N.m）

FA：负载外力（N）

D：终端滚轮直径（m）

i：减速比（机构的减速比，不是马达减速比）

α:水平运行时为0，垂直时为90度

η：效率（0.9）；μ：滑动面摩擦系数

m：负载总质量（kg）

c.旋转机构驱动时，运行力矩极小，可忽略

③、加速力矩计算

Ma=2（Jm+Jt）×π × V/t

Ma：负载加速力矩（N.m）

Jm：马达转子转动惯量（kg.m2）

Jt：负载转动惯量（kg.m2）

V：运行目标速度（rps）

t：加速时间（s）

从公式可看出，加速力矩跟负载转动惯量以及加速度成正比，加速度可根据需要设置，重点在于负载转动惯量的计算

（2）负载转动惯量计算

①、滚珠螺杆驱动

Jt=1/2*maR2+m(PB/(2π))2

Jt：负载转动惯量（ kg.m2 ）

ma：螺杆质量（kg）

R：螺杆半径（m）

m：负载总质量（kg）

PB：螺杆螺距（m/rev）

②、直线运动

Jt=m(A/(2π))2

Jt：负载转动惯量（ kg.m2 ）

m：负载总质量（kg）

A：电机转动一周负载移动量（m）

③、旋转机构

Jt=1/2*mR2

Jt：负载转动惯量（ kg.m2 ）

m：负载总质量（kg）

R：旋转机构半径（m）

上式为旋转轴通过重心的计算方法，当旋转轴不通过重心时，如机械手等

J=1/12m(A2+B2)+ml2

X0轴为物体重心，X为旋转轴

l=X轴和X0轴的距离（m）

步进电机选型

两要素：力矩匹配&惯量匹配

(1).力矩匹配

计算力矩M=Ma+Mf

考虑到计算误差和装配精度，应保证2倍安全率

必要转矩MB=2M

马达选型时，必要转矩必须在马达运行曲线以下

(2).惯量匹配

a.负载转动惯量不应超过马达转动惯量10倍

b.惯量比过大时，则起动、停止时的过冲和回冲亦变大，因而会影响起动、稳定时间

c.当负载惯量过大时，需减小加载到马达转轴的惯量

(3).减小负载&转子惯量比的方法

a.改变负载驱动方式：

驱动相同负载，滚珠螺杆驱动与同步轮拖动相比，转动惯量会小很多

b.在马达转轴和负载连接时增加减速机构：

增加一个1：3的减速机构，加载到马达上的转动惯量将会成平方的降低，变为原负载转动惯量的1/9

c.选用减速机型步进电机：

使用1：10减速步进电机时，能驱动的负载转动惯量将成平方增加，变为原负载惯量的100倍，此方法最常用

步进电机使用举例

如下图：

负载运行模式为0.4s定位36°，设定加减速时间各为0.1s，最高速度约为0.33rps

计算马达转轴A点负载转动惯量

Jt=142222g.cm2计算必要力矩MB=1.77N.m

装机对比，虽然B型号电机力矩大，但因负载惯量&转子惯量比大，起动、停止时明显抖动；而A型号体积虽小，驱动效果明显好于B型号

细分

两种表述方法

● N（400、1000、5000、6400等），N脉冲/转

● 1/M（1/2、1/5、1/25、1/32等）,M分割

转换：两相马达（1.8°步距角）驱动器为例

无细分（1细分）时，驱动器接收360°/1.8°=200个脉冲，马达转一圈

N=200*M

电流

两个概念

马达额定电流

驱动器设定电流

使用时，驱动器设定电流≤马达额定电流*1.2，否则，马达可能烧坏

信号输入

两种输入

单端信号输入

差分信号输入

单极性、双极性（两相马达）

两个概念

马达（单极性、双极性）

驱动器（单极性、双极性）

单极性驱动器只能驱动单极性马达

双极性驱动器可驱动器双极性和单极性马达

单极性马达使用单极性驱动器和双极性驱动器半绕组效果相同

八线马达连接（两相马达）

丢步、振动和噪音、温升

1. 丢步

a.引起丢步的原因

★负载力矩超出了马达运行曲线

★电源功率过小，马达高速时也会产生丢步

★控制信号被干扰

b.解决丢步的方法

★有效减小负载或选用更大规格马达

★更换大功率电源

★控制信号连接使用双绞屏蔽线，驱动器马达之间使用屏蔽线连接

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2. 振动和噪音

a.振动和噪音产生

★步进马达在低速领域的振动，是其固有缺陷

★应用中的振动，主要是负载和马达在低速领域产生共振

★应用中的噪音，主要也为共振产生的低沉噪音

b.振动和噪音消除

通过驱动器的设计和设定，可有效消除或减小振动和噪音，也是目前最有效的方法

★使用细分功能将有效减小振动和噪音

★使用smooth drive平滑驱动功能的驱动器（SR和ST系列）

★适当减小电流

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3. 温升

★步进电机温升与负载大小无关，只与驱动器电压、驱动电流和转速相关

★步进电机绝缘等级B级，电机表面温度在100℃以下时，将不会损坏马达，也不会使磁体退磁（磁体退磁点为180℃）；但温度过高，将会影响轴承寿命

★应用经验：24V/额定电流，马达温度≤60℃；36V/额定电流，马达温度≤75℃（at25℃）

步进电机/驱动器参数

1、步进电机参数

★影响电机性能的因素

a.机械精度

转子上下两段错齿精度和定转子间气隙平衡精度（理想状态下单边气隙0.04mm），主要影响马达的运行力矩及运行平稳性

b.材料

定转子硅钢片（其磁导率）和永久磁体（矫顽力和磁能积）对马达性能影响最大；对马达运行力矩和温升有较大影响

2、驱动器参数

*输出参数

a.输出电流

电流不应该大于马达额定电流1.2倍，电流对马达力矩、振动和温升有较大影响

b.细分

细分影响马达精度和运行特性，细分在8细分以上时，运行平稳性佳

c.静态电流

驱动器静态电流可调，静态电流设定为运行电流50%较佳

*输入参数

a.输入电压

驱动器对输入电压有严格限制，在额定电压范围内，电压大小对驱动效果有很大影响，不但影响电机运行力矩，且电压高，驱动器马达温度都将明显上升

b.输入功率

输入功率分为3部分：驱动器消耗功率、马达发热消耗功率、驱动负载的功率

减速机型步进电机

减速机型主要特点：

1、增大输出力矩，降低负载转动惯量；

2、通过减速比避开马达共振区。

带刹车机型主要特点：断电保持，适合Z轴机构

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