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1、永磁式步進(jìn)電機(jī)原理2012年4月 1目 錄一、步進(jìn)電機(jī)概述;二、永磁式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理(爪極型);三、步進(jìn)電機(jī)常用術(shù)語四、步進(jìn)電機(jī)的特性;五、步進(jìn)電機(jī)主要性能參數(shù);六、測試方法及規(guī)則;七、摩擦機(jī)構(gòu)打滑原理;八、常見故障及改善對策;2一.步進(jìn)電動機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn) 步進(jìn)電動機(jī)(stepping motor)也稱脈沖電動機(jī)、脈動電動機(jī)、分級電動機(jī);更老一些叫法也叫階動電動機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖轉(zhuǎn)換成角位移位的一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。3型號含意; 如:24 B Y J 4 8一.步進(jìn)電動機(jī)概述電機(jī)直徑步進(jìn)電機(jī)永磁式減速裝置4相8對極對數(shù)4二、永磁式步進(jìn)電機(jī)機(jī)構(gòu)及工作原理(爪極型)1. 結(jié)構(gòu) 由定子、轉(zhuǎn)子

2、、減速箱三大部分組成永磁爪極步進(jìn)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個電動機(jī)定轉(zhuǎn)子的軸向均分為兩段,中間由隔磁片隔開,兩段互相間叉開一個步距角,每均由定子,轉(zhuǎn)子以及套在定子的一個環(huán)形繞組所組成。 每段定子內(nèi)孔圓周上的極片呈爪形作環(huán)形對稱排列,外面并繞兩套反向串聯(lián)的環(huán)形繞組,定子兩段環(huán)形磁鋼同向同軸聯(lián)結(jié)徑向充磁。5步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖6電機(jī)分解圖7電機(jī)定子由-線圈(線球)、機(jī)殼、中齒板、上齒板組成。電機(jī)定子極爪之間的間隙要均等,極爪之間不能短路。8電機(jī)轉(zhuǎn)子材料: 燒結(jié)鐵氧體、注塑鐵氧體、稀土釹鐵硼等電機(jī)轉(zhuǎn)子通過充磁分為8個極對數(shù)與定子的8爪相匹配電機(jī)轉(zhuǎn)子9定子與轉(zhuǎn)子的間隙與力的關(guān)系1、定子與轉(zhuǎn)子的間隙過大,電

3、機(jī)的輸出力及自定位力矩就會變小,出現(xiàn)吊力不良等現(xiàn)象。2、定子與轉(zhuǎn)子的間隙過小,就會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子與定子容易擦殼,出現(xiàn)吊力不良、擦殼聲等現(xiàn)象。10二、永磁式步進(jìn)電機(jī)機(jī)構(gòu)及工作原理2. 工作原理設(shè)上段兩反向繞組分別為A,A-兩相,其中下段兩反向繞組分別為B,B-兩相,當(dāng)在AO和BO兩相繞組通電時,同一段內(nèi)相領(lǐng)極片呈相反極性,轉(zhuǎn)子在定子極片處于圖3(a)所示的平衡 位置。11永磁爪極步進(jìn)電機(jī)工作原理圖當(dāng)把A,B相通電轉(zhuǎn)換成AO,B-O兩相通電后,這時定子極片極性全部反向。轉(zhuǎn)子將向右移動一步,如圖3(b)所示.如果繼續(xù)改變通電狀態(tài),即由ABAB-A-B-AB轉(zhuǎn)子就會步進(jìn)旋轉(zhuǎn),若改變通電順序ABA-BA-B-

4、AB則電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。12永磁爪極步進(jìn)電機(jī)工作原理圖13三、步進(jìn)電動機(jī)的常用術(shù)語 1、步距角: 指每給一個電脈沖信號電動機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度的理論值。步距角():b =360/m1p 式中 P-轉(zhuǎn)子極對數(shù); m1-動行拍數(shù),通常等于相數(shù)或相數(shù) 的整數(shù)倍,即 m1=km; m-電動機(jī)相數(shù)。 2、轉(zhuǎn)速 通常指轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)一周的速度(減速步進(jìn)電機(jī)指輸出軸速度) 轉(zhuǎn)速(RPM): n=f b /6 式中:f=電源頻率 b = 步距角 14三、步進(jìn)電機(jī)的常用術(shù)語 3、靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性 (a)保持轉(zhuǎn)矩(holding torque)是指步進(jìn)電機(jī)在勵磁狀態(tài),用外力旋轉(zhuǎn)輸出軸時,抗拒外力所產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩。保持轉(zhuǎn)矩也叫最大

5、靜止轉(zhuǎn)矩、最大保持轉(zhuǎn)矩、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。 保持轉(zhuǎn)矩大小隨勵磁電流的大小、勵磁方式不同而不同。同一電動機(jī)二相勵磁比起一相勵磁通常保持轉(zhuǎn)矩大1.4倍,但不能誤認(rèn)為通電相數(shù)越多,合成轉(zhuǎn)矩越大。由于轉(zhuǎn)矩受電源參數(shù)及電流大小的影響,會出現(xiàn)通電相數(shù)少時的轉(zhuǎn)矩反而比通電相數(shù)多時大。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化范圍較寬,又受電源結(jié)構(gòu)的影響,很難用功率表示步進(jìn)電機(jī)的力能指標(biāo),而只能給出最大靜轉(zhuǎn)矩值。15 (b)自定位轉(zhuǎn)矩:在電動機(jī)中使用永磁的PM型步進(jìn)電機(jī)、HB型步進(jìn)電機(jī),即使沒有勵磁電流,由于磁鋼所產(chǎn)生的磁場也會有持續(xù)作用于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩使之處于一個穩(wěn)定平衡狀態(tài)。 在這沒有勵磁狀態(tài)下,從外部對輸出軸施加轉(zhuǎn)矩時,而產(chǎn)生的最大

6、值稱為自定位轉(zhuǎn)矩(detent torque)。自定位轉(zhuǎn)矩也稱為無勵磁保持轉(zhuǎn)矩或剩余轉(zhuǎn)矩(residual torque)。 4、動態(tài)轉(zhuǎn)矩特性(dynamic torque characters ) (a) 牽入轉(zhuǎn)矩特性 所謂牽入轉(zhuǎn)矩(pull-in-torque characteristics)就是一種負(fù)載轉(zhuǎn)矩,具體做法是用在直接連接在輸出軸的滑輪上垂吊砝碼的方法對軸加三、步進(jìn)電機(jī)的常用術(shù)語16 上負(fù)載,再交替任意加上驅(qū)動脈沖、停止,使電動機(jī)一會兒啟動,一會兒停止,這時電動機(jī)不得不有誤動所測得的臨界轉(zhuǎn)矩。換而言之如果增加了所吊砝碼的重量,就要引起電動機(jī)誤轉(zhuǎn)動,這時求得的臨界轉(zhuǎn)矩;表示驅(qū)動脈沖

7、同臨界轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系的這種特性稱牽入轉(zhuǎn)矩。 在空載狀態(tài)下,究竟多快的脈沖速率電動機(jī)就不能啟動了,這種臨界速度稱最大自啟動頻率(max starting frequency)。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度大多用脈沖速度表示,具體就是用在單位時間內(nèi)施加的脈沖數(shù)(PPS)表示。三、步進(jìn)電機(jī)的常用術(shù)語17 (b) 牽出轉(zhuǎn)矩特性 牽出轉(zhuǎn)矩特性(pull-out-torque characteristics)也叫牽出(pull in)特性、轉(zhuǎn)換(slewing)特性。具體就是首先以一定負(fù)載使電動機(jī)自啟動,然后逐步提高輸入到電動機(jī)的脈沖速率,當(dāng)脈沖速率提高到某一速率時就會引起電動機(jī)誤動或者停轉(zhuǎn),牽出轉(zhuǎn)矩特性就是表示這一臨

8、界脈沖和負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系的特性。 當(dāng)空載時,脈沖速度超過此頻率電動機(jī)就不能響應(yīng),稱這一脈沖速率為最大響應(yīng)頻率(max response frequency)要求牽出轉(zhuǎn)矩曲線時,先使電機(jī)啟動,保持一定的輸入脈沖速度不變,逐漸增加三、步進(jìn)電機(jī)的常用術(shù)語18 負(fù)載轉(zhuǎn)矩直到電機(jī)停止轉(zhuǎn)動,這時求得臨界轉(zhuǎn)矩值,可以得到同樣的特性曲線稱這一曲線上的轉(zhuǎn)矩為牽出轉(zhuǎn)矩,這一值肯定比牽入轉(zhuǎn)矩高。稱牽出轉(zhuǎn)矩和牽入轉(zhuǎn)矩之間的范圍為工作區(qū)域,在這一區(qū)域內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時必須注意當(dāng)改變脈沖速率時,不會因誤步進(jìn)或共振而引起失步。 三、步進(jìn)電機(jī)的常用術(shù)語195、響應(yīng)特性 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時,只要看一看旋轉(zhuǎn)角度(rad)、旋轉(zhuǎn)角速度(rad

9、/s)隨時間的推移是如何變化的,就明白轉(zhuǎn)子是一邊振動一邊旋轉(zhuǎn)的,停止時是先過沖后再一邊作衰減振動一邊停下來。稱表示這種旋轉(zhuǎn)震蕩過程的特性為響應(yīng)特性,其中只輸入一個脈沖時旋轉(zhuǎn)震蕩結(jié)果的特性叫單步響應(yīng)特性,輸入連續(xù)脈沖時的響應(yīng)特性稱為連續(xù)響應(yīng)特性。這種響應(yīng)特性也叫動特性,為了防止共振、振動應(yīng)采取最合適的運(yùn)轉(zhuǎn)方式,這是十分重要的特性。單步響應(yīng)特性,圖中所示是靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和單步響應(yīng)的關(guān)系,當(dāng)輸入一次脈沖轉(zhuǎn)子向目標(biāo)平衡點(diǎn)(A),當(dāng)?shù)竭_(dá)A點(diǎn)時由于轉(zhuǎn)子慣量不能馬上停止,而要略轉(zhuǎn)過頭。三、步進(jìn)電機(jī)的常用術(shù)語20 (b)連續(xù)響應(yīng)特性 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)隨脈沖信號旋轉(zhuǎn),應(yīng)根據(jù)輸入的脈沖速率按比例變化旋轉(zhuǎn)。但是由于轉(zhuǎn)子、負(fù)載的

10、慣量,轉(zhuǎn)子的實(shí)際動作總要比脈沖速率早一點(diǎn)或遲一點(diǎn),有時跟不上脈沖信號的變化會失步。6、共振特性 步進(jìn)電機(jī)每輸入一次脈沖目標(biāo)穩(wěn)定點(diǎn)就會更換,不斷的產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)矩,一邊牽引著負(fù)載轉(zhuǎn)矩一邊持續(xù)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)接近目標(biāo)位置,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也變小,然后又有新的脈沖輸入,轉(zhuǎn)子按照轉(zhuǎn)換成的大轉(zhuǎn)矩加速。這種振動周期三、步進(jìn)電機(jī)的常用術(shù)語21 同輸入脈沖的周期同步就會發(fā)生共振,這是步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)的共振頻率如果只有電動機(jī)的固有振動頻率的數(shù)倍數(shù),在50300PPS左右產(chǎn)生共振,稱低頻共振;如接近電動機(jī)的電氣常數(shù)的1000PPS左右的工作區(qū)域產(chǎn)生共振,稱中頻共振;再往上的高速范圍發(fā)生共振稱高頻共振。7、矩角特性步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)

11、子離開平衡位置后所具有恢復(fù)轉(zhuǎn)矩,隨著轉(zhuǎn)角偏移而變化。步進(jìn)電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系稱為矩角特性。假設(shè)其按正弦規(guī)律變化,用數(shù)字公式表示如下: T=-TKsine三、步進(jìn)電機(jī)的常用術(shù)語22 TK-最大靜轉(zhuǎn)矩(N.m)e-用電角度表示的位移角()。8、角度精度特性: 特別對于用作定位控制的步進(jìn)電機(jī),角度精度是個十分重要的特性,因?yàn)檫@一精度直接影響到裝置本身的性能,可以用這一精度來判定裝置是否合格。(a)靜態(tài)角度精度(Positional accuracy)也叫作靜止位置精度,理論上是用偏離靜止位置的誤差來表示的。具體做法是在電機(jī)的輸出軸上加一個對于評價(jià)精度有足夠分解力的編碼器,當(dāng)從任何位置使電機(jī)旋轉(zhuǎn)N

12、步時,理論上的全部旋轉(zhuǎn)角度NX(基本步距角)同實(shí)際從編碼器測得的旋轉(zhuǎn)角度之間的誤差用曲線表示,其最大值Qmax和最?。ㄘ?fù)最大值)三、步進(jìn)電機(jī)的常用術(shù)語23 Qmax之間的1/2幅度,再用%來表示這就是靜止角度精度。另外也有用角度來表示靜止角度精度。b)步距角精度(step accuracy)也叫領(lǐng)接角度精度、步進(jìn)精度。是評價(jià)一步距實(shí)際測得角度和理論角度(基本步距角)之間的偏差精度。具體的計(jì)算方法是從任意位置,一步一步地使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)360,實(shí)際測出每一步的旋轉(zhuǎn)位置,再在每一步中算出領(lǐng)接的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度n,最后求出n和理論步距角Qs之間的差dn.。三、步進(jìn)電機(jī)的常用術(shù)語24 9、溫升(a)靜態(tài)溫升:

13、電機(jī)靜止不動時,按規(guī)定的運(yùn)行方式中最多的相數(shù)通額定靜態(tài)電流,達(dá)到穩(wěn)定熱平衡狀態(tài)時的溫升。步進(jìn)電機(jī)是一種效率不太高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換器件,應(yīng)該允許其長時間在靜止不動的狀態(tài)下通以額定電流,溫升最高限度有絕緣等級決定。一般采用電阻法測量電機(jī)溫升。(b)動態(tài)溫升:電機(jī)在某一頻率下空載運(yùn)行,按規(guī)定的時間進(jìn)行工作,運(yùn)行時間結(jié)束后電機(jī)達(dá)到的溫升。和靜態(tài)溫升不同,靜態(tài)溫升僅與繞組的銅耗決定,而動態(tài)溫升除銅耗外,鐵耗也影響動態(tài)溫升。三、步進(jìn)電機(jī)的常用術(shù)語2510、轉(zhuǎn)矩特性:表示最大靜轉(zhuǎn)矩和單相通電時電流的關(guān)系。隨著電流的增加,開始時,靜轉(zhuǎn)矩隨電流變化線性增加,當(dāng)電流增加到一定數(shù)值時,轉(zhuǎn)矩便緩慢地增加呈線飽和趨勢,繼

14、而不增加。11、慣頻特性 啟動頻率與負(fù)載慣量的關(guān)系叫做慣頻特性。啟動頻率在負(fù)載轉(zhuǎn)矩及其它條件不變的情況下,隨著負(fù)載慣量的增加而下降。三、步進(jìn)電機(jī)的常用術(shù)語26四、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方式.步進(jìn)電機(jī)的勵磁所謂勵磁就是讓電流流過線圈,使定子極磁化,只要不斷交替轉(zhuǎn)換勵磁就能夠使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。二相電動機(jī)的勵磁方式,常見的有如下4中 : 1) 1相勵磁方式 2) 2相勵磁方式 3) 12相勵磁方式除此之外還有雙12相勵磁方式,這是微步進(jìn)勵磁中步進(jìn)角最粗的特殊情況。27 1、1相勵磁方式 1相勵磁方式電動機(jī)只有1相線圈,對這一相線圈依次通電勵磁。由于這種方式在某些期間有線圈完全沒有電流通過,所以電機(jī)的導(dǎo)體利用率比較低

15、。缺點(diǎn)是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩小,但反過來也帶來了輸入小、溫升低的優(yōu)點(diǎn)。 2、2相勵磁方式 2相勵磁方式是A和B相2個線圈同時勵磁的方式,這是步進(jìn)電機(jī)最常見的方法。四、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方式.28 3、12相勵磁方式 這12相勵磁方式是 1相勵磁和2相勵磁交替組成的勵磁方式,1相勵磁的穩(wěn)定平衡點(diǎn)和2相勵磁穩(wěn)定平衡點(diǎn)電氣角45,及錯開1/2基本步距角,所以用這種勵磁方式可以使電機(jī)停在基本步距角的一半處。因而這種勵磁方式又稱半步進(jìn)勵磁。與此相對應(yīng)基本步距角旋轉(zhuǎn)的勵磁方式也稱為全步進(jìn)勵磁。用1相勵磁產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩變動小,不易受到共振頻率變化的影響,因此可以用這種方式解決振動的噪音的問題。四、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方式.29五、步進(jìn)電

16、機(jī)主要性能參數(shù);1.電性能:(electric performance) 1)相數(shù)(number of phase) 2)驅(qū)動方式(drive model) 3)步距角(step angle) 4)額定電壓(voltage) 5)直流電阻(resistance of per phase) 6)最大空載牽出頻率(max response frequency) 7)最大牽入頻率(max response frequency) 8)牽入轉(zhuǎn)矩(put in torque) 9)絕緣電阻(insulation resistance) 10) 絕緣介電強(qiáng)度(dielectric break down of

17、 insulation)30五、步進(jìn)電機(jī)主要性能參數(shù) 11) 絕緣等級 12) 溫升(temperature of motor bobbin coil) 2.機(jī)械性能:(mechanical performance) 1)外觀(outside view) 2)電機(jī)結(jié)構(gòu)及外形尺寸(motor structure and size) 3)重量(weight) 4)摩擦轉(zhuǎn)矩(frictional torque of output shaft) 5)噪音(noise level) 6)輸出軸機(jī)械強(qiáng)度(output shaft mechanical strength) 7) 引出線強(qiáng)度(lead wir

18、e strength) 8) 自定位轉(zhuǎn)矩(detent torque)31六、測試方法及規(guī)則: 1.試驗(yàn)電源 a)輸出電壓波動不超過2%; b)電壓波動系數(shù)不大于5%; c)各相靜態(tài)電流不平衡不大于2%。 2直流電阻 試驗(yàn)后的電機(jī)在常溫下放置到穩(wěn)定溫度(不少于2h)后,用電阻測量儀測量每相繞組的直流電阻,按式(1)換算到25時的直流電阻。(計(jì)算公式見式1) 式1: R=Rt/ 1+(t-25)- (1)32六、測試方法及規(guī)則: R 溫度為25時的繞組直流電阻, ; Rt - 溫度為t時的繞組直流電阻, ; 溫度系數(shù),銅導(dǎo)線=0.004, 1/ ; t -測量繞組直流電阻Rt時的室溫, 。3最大

19、空載牽入頻率 電機(jī)空載,加額定電壓,采用預(yù)置脈沖數(shù)或其它能檢查失步的方法,使電機(jī)從鎖定狀態(tài)突然起動,測出轉(zhuǎn)子在三個不同位置的正反兩個轉(zhuǎn)向的最高牽入頻率。4最大空載牽出頻率33六、測試方法及規(guī)則: 電機(jī)空載,加額定電壓,逐漸升高脈沖頻率,采用能檢查失步的方法,測出電機(jī)在正反兩個轉(zhuǎn)向的能不失步的最高牽出頻率。5牽入轉(zhuǎn)矩 電機(jī)加額定電壓、額定頻率,采用預(yù)定脈沖數(shù)或其它能檢查失步的方法,先加上一定的負(fù)載,然后從鎖定狀態(tài)突然起動,測出轉(zhuǎn)子在三個不同位置的正反兩個轉(zhuǎn)向的不失步的最大轉(zhuǎn)矩。 6自定位轉(zhuǎn)矩 電機(jī)不通電,用力矩表將轉(zhuǎn)矩加到輸出軸上,緩慢增加轉(zhuǎn)矩,直到輸出軸開始連續(xù)旋轉(zhuǎn)前的最大轉(zhuǎn)矩。34六、測試方法及規(guī)則:7摩擦轉(zhuǎn)矩 電機(jī)兩相加額定電壓鎖定轉(zhuǎn)子,用力矩表將力矩加到輸出軸上,使輸出軸開始連續(xù)旋轉(zhuǎn)時的力矩。8溫升 電機(jī)在常溫常濕下放置到穩(wěn)定溫度(不小于2h)后,測量繞組的直流電阻R1和此時的室溫t1,然后電機(jī)加額定電壓,頻率為100Hz空載運(yùn)行到穩(wěn)定溫度(不小于2h)后,測量同一繞組和直流電阻R2和此時的室溫t2,溫升按式(2)計(jì)算。(計(jì)算公式見式2) 式2: 35六、測試方法及規(guī)則:= (R2-R1)/R1 (235+t1)+(t1-t2)- ( 2 ) 電機(jī)溫升, K; R2

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