Motec步进电机Motec中国 主讲：赵强步进电动机的工作原理机理：步进电机是一种特殊运行方式的同步 电动机。将脉冲信号转换成线位移或角位移 的电机。通过改变脉冲频率可以在很大范围 内调节电机速度，并且能够快速启动、制动 和反转。在数字控制系统中广泛应用。一般 用于开环系统，也可构成闭环。步进电机的三个重要概念转角由脉冲数产生转速由脉冲频率产生转向由方向信号决定步进电机内部结构结构定子绕组定子转子步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成 ，其上分别有六个、四个磁极 。AB C定子转子定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进机通的 是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、 三相双三拍等。工作方式相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表 示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例， 有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式 即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。C ABBCA341 2一、三相单三拍三相绕组中的通电顺序为：A 相 B 相 C 相C ABBCA341 2同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；C相通电再转30。1C342C ABBA这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电， 而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相 单三拍。三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为 步距角，用S表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：AABBBCCCAA 共六拍。工作过程：A相通电，转子1、3齿和A相对齐。C ABBCA341 2所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了15。（1）BB 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。A、B相同时通电（2）AA 磁场继续对1、3齿有拉力。C ABBCA341 2总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称 为三相六拍，步距角为15。C ABBCA341 2B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：AB BC CA AB 共三拍。AB通电C ABBCA341 2C ABBCA341 2BC通电以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六 拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三 拍时，每通入一个电 脉冲，转子也是转 30，即 S = 30。CA通电C ABBCA341 2步距角：步距角：步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过的角度称步距角。的角度称步距角。 转子齿数越多，步距角转子齿数越多，步距角 越小越小 定子相数越多，步距角定子相数越多，步距角 越小越小 通电方式的节拍越多，步距角通电方式的节拍越多，步距角 越小越小那大家知不知道那大家知不知道 怎么计算呢？怎么计算呢？步进电机的振荡、失步与对策步进电机的振荡、失步与对策1 1、振、振 荡荡步进电动机的振荡现象主要发生于： 步进电动机工作在低频区； 步进电动机工作在共振区； 步进电动机突然停车时。2） 低频共振：当步进电动机的脉冲频率接近步进电动机的固有 振荡频率或振荡频率的分频或倍频时，会使振荡加剧 ，严重时造成失步。当步进电动机工作在高频区时，由于换相周期短 ，转子来不及反冲。同时。绕组中的电流尚未上升到 稳定值，转子没有获得足够的能量，所以在这个工作 区中不会产生振荡。2、失失 步：步： 步进电动机的失步原因有2种：2 2）转子的平均速度大于旋转磁场的速度。）转子的平均速度大于旋转磁场的速度。这主要发生 在制动和突然换向时，转子获得过多的能量，产生严 重的过冲，引起失步（越步）。例：步进电动机在启动时，如果脉冲的频率较高，由于 电动机来不及获得足够的能量，转子无法跟上旋转磁场 的速度，所以引起失步。因此，步进电动机有一个启动 频率。超过启动频率启动时，肯定会产生失步。注意： 启动频率不是一个固定值提高电动机的转矩、减小负 载转动惯量、减小步距角都可以提高步进电动机的启动 频率。1 1）转子的转速慢于旋转磁场的速度、或者说慢于换相）转子的转速慢于旋转磁场的速度、或者说慢于换相 速度速度( (丢步丢步) )。3 3、消除振荡阻尼方法阻尼方法：机械阻尼法和电子阻尼法机械阻尼法比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器， 电子阻尼法则有多种：1)多相励磁法多相励磁会产生电磁阻尼，削弱或消除振荡现象 ，如电动机的双三拍和六拍方式。 2)变频变压法步进电机在高频和在低频时转子所获得的能量不一 样。在低频时，绕组中的电流上升时间长，转子获得的 能量大，因此容易产生振荡，在高频时则相反。所以， 可以设计一种电路，使电压随频率的降低而减小，这样 使绕组在低频时的电流减小，可以有效地消除振荡。3)细分步法将步进电动机绕组中的稳定电流分成若干级，每 进一步，电流升一级，也相对地提高步进频率，使步 进过程平稳进行。4)反相阻尼法用于步进电动机制动在步进电动机转子要过平衡点之前，加一个反向作 用力以平衡惯性力，使转子到达平衡点时速度为零，实 现准确制动。例如，三相步进电动机工作在单三拍，正 处于B拍，并希望它停在C拍，则控制换相B-C-B-C,第二 个B拍起平衡惯性力作用，而不是让电动机走一步步进电机的矩频特性步进电动机的输出转矩与控制脉冲频率之间的关 系称为矩频特性步进电动机矩频特性特点：特点：下降曲线。以最 大负载转矩（启 动转矩）Tq为起 点，随着控制脉 冲频率增加，步 进电动机的转速 逐步升高、而带 负载能力却下降共振区矩频特性下降的原因：步进电动机的驱动电路1）、绕组电感影响：绕组中的电流上升和下降绕组中的电流上升和下降 都需要都需要定的时间。当脉定的时间。当脉 冲频率较低时绕组通电的冲频率较低时绕组通电的 周期较长，电流的平均值周期较长，电流的平均值 较大，电动机获得的能量较大，电动机获得的能量 较高，能维持较高的转矩较高，能维持较高的转矩 ；当脉冲频率较高时，绕；当脉冲频率较高时，绕 组中通电的周期较短组中通电的周期较短, , 电电 流的平均值较小，电动机流的平均值较小，电动机 获得的能量较少，转矩下获得的能量较少，转矩下 降。降。2）铁耗： 随着频率上升， 转子转速升高，在定子绕组 中产生的附加旋转电势使电 动机受到更大的阻尼转矩， 铁芯的涡损也增加。1)减小时间常数可增大电阻。为了保证通电回路中的电流不 变，在增加电阻的同时，还要提高电源电压。2)改进工作方式采用多相励磁的工作方式，例如，三相步进 电动机的双三拍、六拍方式。多相励磁工作方式 使每一相通电的时间延长，电动机就能获得较多 的能量，使高额时输出的转矩增加。提高矩频特性的高频性能措施提高矩频特性的高频性能措施细分驱动细分驱动 1） 电磁力的大小与绕组通电电流的大小有关。2） 当通电相的电流并不马上升到位，而断电相的电流 也非立即阵为0时，它们所产生的磁场合力，会使转子 有一个新的平衡位置，这个新的平衡位置是在原来的步 距角范围内。3） 如果绕组中电流的波形不再是一个近似方波，而是 一个分成 N个阶级的近似阶梯波，则电流每升或降一个 阶级时，转子转动一小步。当转子按照这样的规律转过 N小步时，实际上相当于它转过一个步距角。4）这种将一个步距角细分成若干小步的驱动方法，就 称为细分驱动细分驱动。三相六拍4细分关于细分驱动的说明有人对“细分”还不是特别了解，只是认为，细分是为了 提高精度，其实不然，细分主要是改进性能。以二相电机为例，假如电机为3A，如果使用常规驱动 器驱动该电机，电机每运行一步，其绕组内的电流将从0 突变为3A或3A到0，相电流的巨大变化，引起电机运行 的振动和噪音。如果使用细分驱动器，在10细分的状态 下驱动该电机，每一电微步，其绕组内的电流变化只有 0.3A而不是3A，且电流是以曲线规律变化的，这样就大 大的改善了电机的振动和噪音。性能上的优点才是细分的真正优点。由于细分驱动器要 精确控制电机的相电流，所以对驱动器要有相当高的技术 要求和成本亦会较高。步进电机控制系统的组成脉冲序列的生成 脉冲幅值 由数字元件电平决定。 TTL 0 5V CMOS 0 10V 接通和断开时间可用延时的办法控制 。要求：确保步进到位。2方向控制步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺 序相关。三相步进电机有三种工作方式： 单三拍，通电顺序为 ABC ； 双三拍， 通电顺序为 ABBCCA ； 三相六拍，通电顺序为 AABBBCCCA ；改变通电顺序可以改变步进电机的转向细分精度高SD3驱动器设有16档等角度恒力矩细分，最 高分辨率60000步/转，使运动平滑，分辨率 提高。用户可方便地利用拨码开关调整细分 数。低速运行平稳SD3驱动器具有优良的低速特性，即使转速 低至5分钟一圈，仍能够平稳运行，无爬行现 象。高速不失扭双极恒流斩波方式使得相同的电机可以输出 更大的速度和功率，增大了高速扭矩，力矩/ 转速曲线拐点后移。输入信号自适应SD3驱动器接收控制信号电压可在5V和24V 范围内自适应，无需外接降压电阻。反应频率高SD3驱动器可以接收的最高反应频率达 200KHz。自动半流功能 系列步进系统全系列产品均具有自动半流 功能，当脉冲信号输入停止超过100毫秒，电 机线圈电流自动减少到额定电流的50%，以 降低机和驱动器发热。MOTEC智能步进与通用步进的比较n 通用步进系统脉冲信号运动控制网络信号位置反馈位置反馈X轻松得到驱动器内部信息 (位置、速度、力矩等)很难得到驱动器内部信息n MOTEC智能步进系统 驱动器和上位机之间利用网络进行通信，信息传递更可靠； 驱动器和上位机之间实现了无障碍的信息交换，上位机很容易就能得到驱动器的内部信息； 系统连接简单、功能丰富，系统参数调节可视化； 系统参数可以下载到本地计算机以供保存和系统恢复之用。 需要运动控制卡或PLC向通用伺服发送脉冲信号，容易发生丢失脉冲现象； 位置信息只能反馈到驱动器，上位机无法得到当前位置或其它驱动器的内部信息； 系统连接复杂、功能单一，系统参数调节不可视； 系统参数通常无法下载存储到本地计算机。内置运动控制器步 系列三相混合式智能步进驱动器集步进驱动 、步进控制器、PLC于一体，具有总线控制 功能，控制功能较传统步进驱动器大大增强 ，通过用户编程，可在驱动器内部实现轨迹 规划等功能,有利于提高运动控制系统的整体 工作效率。内置PLC功能SD3驱动器内置3个数字量输入，1个数字量 输出，用户如有需要还可订购具有模拟量输 入端口（1个）的驱动器型号，将逻辑控制与 运动控制有机结合，提高系统配置的灵活性 ，为客户节省成本。当采用多个