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怎么解释步进电机的“失步”与“过冲”

2018年10月10日 10:41:05来源:电子发烧友网作者:工程师谭军关键词:步进电机

本文主要是关于步进电机的相关介绍,并侧重对步进电机的失步和过冲现象进行了详细的阐述。

  步进电机

  步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环操控电机,是现代数字程序操控体系中的主要履行元件,运用极为广泛。在非超载的状况下,电机的转速、中止的方位只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载改动的影响,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向滚动一个固定的视点,称为“步距角”,它的旋转是以固定的视点一步一步作业的。能够经过操控脉冲个数来操控角位移量,然后到达准断定位的意图;同时能够经过操控脉冲频率来操控电机滚动的速度和加快度,然后到达调速的意图。

步进电机是一种感应电机,它的作业原理是运用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序操控电流,用这种电流为步进电机供电,步进电机才干正常作业,驱动器就是为步进电机分时供电的,多相时序操控器。尽管步进电机已被广泛地运用,但步进电机并不能像一般的直流电机,沟通电机在惯例下运用。它有必要由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成操控体系方可运用。因而用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及核算机等许多专业知识。步进电机作为履行元件,是机电一体化的要害产品之一,广泛运用在各种自动化操控体系中。跟着微电子和核算机技术的开展,步进电机的需求量日积月累,在各个国民经济领域都有运用。

  主要分类

  步进电机从其结构方法上可分为反应式步进电机(Variable Reluctance,VR)、永磁式步进电机Permanent Magnet,PM)、混合式步进电机(Hybrid Stepping,HS)、单相步进电机、平面步进电机等多种类型,在我国所选用的步进电机中以反应式步进电机为主。步进电机的作业性能与操控办法有亲近的联系,步进电机操控体系从其操控办法来看,能够分为以下三类:开环操控体系、闭环操控体系、半闭环操控体系。半闭环操控体系在实践运用中一般归类于开环或闭环体系中。 

  反应式:定子上有绕组、转子由软磁资料组成。结构容易、本钱低、步距角小,可达1.2°、但动态性能差、功率低、发热大,可靠性难确保。

  永磁式:永磁式步进电机的转子用永磁资料制成,转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大,但这种电机精度差,步矩角大(一般为7.5°或15°)。

  混合式:混合式步进电机归纳了反应式和永磁式的优点,其定子上有多相绕组、转子上选用永磁资料,转子和定子上均有多个小齿以进步步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好,步距角小,但结构杂乱、本钱相对较高。

  按定子上绕组来分,共有二相、三相和五持平系列。最受欢迎的是两相混合式步进电机,约占97%以上的市场份额,其原因是性价比高,配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步距角为1.8°/步,配上半步驱动器后,步距角削减为0.9°,配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍(0.007°/微步)。由于摩擦力和制作精度等原因,实践操控精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改动精度和效果。

  挑选办法

  步进电机和驱动器的挑选办法:

  判别需多大力矩:静扭矩是挑选步进电机的主要参数之一。负载大时,需选用大力矩电机。力矩目标大时,电机外形也大。

  判别电机作业速度:转速要求高时,应选相电流较大、电感较小的电机,以添加功率输入。且在挑选驱动器时选用较高供电电压。

  挑选电机的设备规格:如57、86、110等,主要与力矩要求有关。

  断定定位精度和振荡方面的要求状况:判别是否需细分,需多少细分。

  依据电机的电流、细分和供电电压挑选驱动器。

  基本原理

  作业原理

  一般电机的转子为永磁体,当电流流过定子绕组时,定子绕组发作一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一视点,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向共同。当定子的矢量磁场旋转一个视点。转子也跟着该磁场转一个视点。每输入一个电脉冲,电动机滚动一个视点行进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改动绕组通电的次序,电机就会回转。所以可用操控脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电次序来操控步进电机的滚动。

  发热原理

  一般见到的各类电机,内部都是有铁芯和绕组线圈的。绕组有电阻,通电会发作损耗,损耗巨细与电阻和电流的平方成正比,这就是咱们常说的铜损,假如电流不是规范的直流或正弦波,还会发作谐波损耗;铁心有磁滞涡流效应,在交变磁场中也会发作损耗,其巨细与资料,电流,频率,电压有关,这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的方法表现出来,然后影响电机的功率。步进电机一般寻求定位精度和力矩输出,功率比较低,电流一般比较大,且谐波成分高,电流交变的频率也随转速而改动,因而步进电机普遍存在发热状况,且状况比一般沟通电机严重。

  主要构造

  步进电机也叫步进器,它运用电磁学原理,将电能转换为机械能,

  人们早在20世纪20年代就开端运用这种电机。跟着嵌入式体系(例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、轰动寻呼机、机械手臂和录像机等)的日益盛行,步进电机的运用也开端暴增。不管在工业、军事、医疗、轿车仍是娱乐业中,只需需求把某件物体从一个方位移动到另一个方位,步进电机就一定能派上用场。步进电机有许多种形状和尺度,但不管形状和尺度怎么,它们都能够归为两类:可变磁阻步进电机和永磁步进电机。

  步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上的线圈驱动的。一般状况下,一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管,而在电机中,绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。

  步进电机加减速进程操控技术

  正由于步进电机的广泛运用,对步进电机的操控的研讨也越来越多,在发动或加快时假如步进脉冲改动太快,转子由于惯性而跟从不上电信号的改动,发作堵转或失步在中止或减速时由于相同原因则可能发作超步。为避免堵转、失步和超步,进步作业频率,要对步进电机进行升降速操控。

  步进电机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。其角速度与脉冲频率成正比,而且在时刻上与脉冲同步。因而在转子齿数和作业拍数一定的状况下,只需操控脉冲频率即可取得所需速度。由于步进电机是凭借它的同步力矩而发动的,为了不发作失步,发动频率是不高的。特别是跟着功率的添加,转子直径增大,惯量增大,发动频率和最高作业频率可能相差十倍之多。

  步进电机的起动频率特性使步进电机发动时不能直接到达作业频率,而要有一个发动进程,即从一个低的转速逐步升速到作业转速。中止时作业频率不能当即降为零,而要有一个高速逐步降速到零的进程。

  步进电机的输出力矩跟着脉冲频率的上升而下降,发动频率越高,发动力矩就越小,带动负载的才能越差,发动时会造成失步,而在中止时又会发作过冲。要使步进电机快速的到达所要求的速度又不失步或过冲,其要害在于使加快进程中,加快度所要求的力矩既能充分运用各个作业频率下步进电机所供给的力矩,又不能超越这个力矩。因而,步进电机的作业一般要经过加快、匀速、减速三个阶段,要求加减速进程时刻尽量的短,恒速时刻尽量长。特别是在要求快速呼应的作业中,从起点到结尾作业的时刻要求最短,这就有必要要求加快、减速的进程最短,而恒速时的速度最高。

  国内外的科技作业者对步进电机的速度操控技术进行了大量的研讨,建立了多种加减速操控数学模型,如指数模型、线性模型等,并在此基础上规划开发了多种操控电路,改进了步进电机的运动特性,推行了步进电机的运用规模指数加减速考虑了步进电机固有的矩频特性,既能确保步进电机在运动中不失步,又充分发挥了电机的固有特性,缩短了升降速时刻,但因电机负载的改动,很难完成而线性加减速仅考虑电机在负载才能规模的角速度与脉冲成正比这一联系,不因电源电压、负载环境的波动而改动的特性,这种升速办法的加快度是稳定的,其缺陷是未充分考虑步进电机输出力矩随速度改动的特性,步进电机在高速时会发作失步。

  步进电机的细分驱动操控

  步进电机由于受到自身制作工艺的约束,如步距角的巨细由转子齿数和作业拍数决定,但转子齿数和作业拍数是有限的,因而步进电机的步距角一般较大并且是固定的,步进的分辨率低、缺少灵活性、在低频作业时振荡,噪音比其他微电机都高,使物理设备容易疲劳或损坏。这些缺陷使步进电机只能运用在一些要求较低的场合,对要求较高的场合,只能采纳闭环操控,添加了体系的杂乱性,这些缺陷严重约束了步进电机作为优秀的开环操控组件的有效运用。细分驱动技术在一定程度上有用地战胜了这些缺陷。

  步进电机细分驱动技术是年代中期开展起来的一种能够明显改进步进电机归纳运用性能的驱动技术。年美国学者、初次在美国增量运动操控体系及器材年会上提出步进电机步距角细分的操控办法。在这今后的二十多年里,步进电机细分驱动得到了很大的开展。逐步开展到上世纪九十年代彻底成熟的。我国对细分驱动技术的研讨,起步时刻与国外相差无几。

  在九十年代中期的到了较大的开展。主要运用在工业、航天、机器人、精细丈量等领域,如盯梢卫星用光电经纬仪、军用仪器、通讯和雷达等设备,细分驱动技术的广泛运用,使得电机的相数不受步距角的约束,为产品规划带来了便利。现在在步进电机的细分驱动技术上,选用斩波恒流驱动,仪脉冲宽度调制驱动、电流矢量恒幅均匀旋转驱动操控止,,几大大进步步进电机作业作业精度,使步进电机在中、小功率运用领域向高速且精细化的方向开展。

  开始,对步进电机相电流的操控是由硬件来完成的,一般选用两种办法,选用多路功率开关电流供电,在绕组上进行电流叠加,这种办法使功率管损耗少,但由于路数多,所以器材多,体积大。

  先对脉冲信号叠加,再经功率管线性扩大,取得阶梯形电流,优点是所用器材少,但功率管功耗大,体系功率低,假如管子作业在非线性区会引起失真、由于自身不行战胜的缺陷,因而现在已很少选用这两类办法。

  怎么理解步进电机的失步和过冲

  失步应该就是漏掉了脉冲没有运动到指定的方位。过冲应该就是和失步相反,运动到超越了指定的方位。

  在一些操控容易或要求低成本的运动操控体系中,常会用步进电机。最大的优势是:以开环的办法来操控方位和速度。但正由于是开环操控,负载方位对操控回路没有反应,步进电机就有必要正确呼应每次励磁改动。假如励磁频率挑选不当,步进电机就不能够移动到新的方位。负载实践的方位相对于操控器所等待的方位呈现永久差错,即发作失步现象或过冲幻想。因而,在步进电机开环操控体系中,怎么避免失步和过冲是开环操控体系能否正常作业的要害。

  失步和过冲现象别离呈现在步进电机发动和中止的时分。一般状况下,体系的极限发动频率比较低,而要求的作业速度往往比较高。假如体系以要求的作业速度直接发动,由于该速度现已超限,发动频率而不能正常发动,起则发作丢步,重则基本不能发动,发作堵转。体系作业起来后,假如到达结尾时当即中止发送脉冲,令其当即中止,则由于体系惯性的效果,步进电机会转过操控器所期望的平衡方位。

  为了战胜步进失步和过冲现象,应该在发动中止时参加恰当的加减速操控。咱们一般选用:运动操控卡作上位操控单元、具有操控功用的PLC作上位操控单元、单片机作上位操控单元来操控运动加减速能够战胜失步过冲现象。

  步进电机有一个技术参数:空载发动频率,即步进电机在空载状况下能够正常发动的脉冲频率,假如脉冲频率高于该值,电机不能正常发动,可能发作丢步或堵转。在有负载的状况下,发动频率应更低。假如要使电机到达高速滚动,脉冲频率应该有加快进程,即发动频率较低,然后按一定加快度升到所期望的高频(电机转速从低速升到高速)。

  步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的履行机构。浅显一点讲:当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向滚动一个固定的视点(及步进角)。您能够经过操控脉冲个数来操控角位移量,然后到达准断定位的意图;同时您能够经过操控脉冲频率来操控电机滚动的速度和加快度,然后到达调速的意图。步进电机有一个技术参数:空载发动频率,即步进电机在空载状况下能够正常发动的脉冲频率。假如在脉冲频率高于空载发动频率,步进电机不能正常发动,可能发作丢步或堵转现象。在有负载的状况下,发动频率应更低。假如要使电机高速滚动,脉冲频率应该有一个合理的加快进程,即发动频率较低,然后按一定加快度升到所期望的高频(电机转速从低速升到高速)。 发动频率 = 发动转速 × 每转多少步空载发动转速就是步进电机不经过加减速不负载直接滚动起来。当步进电机滚动时,电机各相绕组的电感将构成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。在它的效果下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,然后导致力矩下降。

  假定:需求减速器的总的输出转矩是T1,输出的转速是N1,减速比是5:1,步进电机的步进视点是A,那么电机的转速是:5*(N1),那么电机的输出转矩应该是(T1)/5,电机的作业频率应该是

  5*(N1)*360/A,所以你应该看矩频特性曲线:坐标点[(T1)/5,5*(N1)*360/A]是不是在频特性曲线(发动矩频曲线)的下面。假如在矩频曲线的下面,你能够挑选这个电机。假如是在矩频曲线上面,则,你不能挑选这个电机,由于会失步,或许基本就不能滚动。

  弥补:你是否断定了作业状况,你需求的最大转速断定了吗,假如断定了,那就能够依据上面供给的公式进行核算,(依据滚动的最大速度,和负载的巨细,你就能够断定你现在选用的步进电机是否合适,假如不合适你也应该知道要选用什么样的步进电机了)

  另外,步进电机在发动了今后,能够在负载不变的状况下,再进步频率,由于步进电机矩频曲线实践上应该有两条的,你有的那条应该是发动矩频曲线,而另外一条是脱出矩频曲线,这条曲线代表的意义是:在发动频率下发动电机,发动完成今后能够添加负载,但电机不会失步的状况;或许是在发动频率下发动电机,在负载不变的状况下,能够恰当添加作业速度,但电机不会失步的状况。

  关于步距角,比如说你是A-B-C-D-A单四拍操控,那么步距角就是一个A走过的视点,关于最大牵入频率,其指的是A-B之间的距离频率,手册里给的都是》于某个值,但是在实践运用时感觉应该给的值就是最大值,例如》250PPS,那么A之后的delay就满意1/delay 《=250, delay》=4ms,给3ms它走不起来。

  的确有人在研讨不运用编码器但又能检测到丢步和堵转。不过现在这些仅限于专利阶段,还远远没有成熟到能够与编码器对抗的境地,路还很长。

  实践上,运用编码器是当今步进电机的开展趋势。而假如你还要完成闭环操控的话,就像有必要有一个编码器或是传感器来把步进电机当时的旋转状况通知操控器,好让操控器做出相应的调整(加快或减速)。这就是现在的技术状况。


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