• 浙江:步進電機(三相混合式步進電機、兩相混合式步進電機)、體積式色母機控制器、電磁吸盤充退磁控制器、制袋機控制器、步進電機驅動器、步進電機微電腦控制器

    浙江:步進電機(三相混合式步進電機、兩相混合式步進電機)、體積式色母機控制器、電磁吸盤充退磁控制器、制袋機控制器、步進電機驅動器、步進電機微電腦控制器

    浙江:步進電機(三相混合式步進電機、兩相混合式步進電機)、體積式色母機控制器、電磁吸盤充退磁控制器、制袋機控制器、步進電機驅動器、步進電機微電腦控制器

    German Version(Deutsch)
    產品:步進電機(包括三相混合式步進電機、兩相混合式步進電機)、步進電機驅動器(包括三相細分混合式步進電機驅動器、兩相細分混合式步進電機驅動器)、電磁吸盤充退磁控制器、運動控制器(定長,定角度)、制袋機控制器、伺服電機、伺服電機驅動器、PLC等
    混合式步進電機
    步進電機驅動器(三相細分式步進電機驅動器、兩相細分步進電機驅動器)
    步進電機控制器(微電腦步進電機機床控制器)
    電磁吸盤充退磁控制器(充退磁機)
    制袋機控制器(單切、熱切等制袋機設備)
    體積式色母機控制器(微電腦控制)
    數控自動鉆床控制器(鉆攻兩用、鉆攻分度、鉆攻平臺) 精密焊接擺動控制系統 步進電機、步進電機驅動器、步進電機控制器、制袋機控制器、充退磁控制器、色母機控制器等產品應用案例 與產品有關的最新資訊 杭州浙機科技有限公司企業文化 杭州浙機科技有限公司介紹
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     步進電機控制工作原理

     

    步進電機的名稱
    步進電機
    (stepping motor),步進電機(step motor),或者是脈沖電機(pulse motor),其它的如(stepper motor)……有著各式各樣的稱呼方式,這些用日本話來表示的時候,就成為階動電動機,還有,階動就是一步一步階段動作的意思,這各用另外一種語言來表示時,就是成為步進驅動的意思,總之,就是輸入一個脈沖就會有一定的轉角,分配轉軸變位的電動機。 

    步進電機簡介:

    步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制組件。

    在非超載的情況下,電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數,而不受負載變化的影響,即給電機加一個脈沖信號, 電機則轉過一個步距角。

    這一線性關系的存在,加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。

    單相步進電機有單路電脈沖驅動,輸出功率一般很小,其用途為微小功率驅動。多相步進電機有多相方波脈沖驅動,用途很廣。使用多相步進 電機時,單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉換為多相脈沖信號,在經功率放大后分別送入步進電機各項繞組。每輸入一個脈沖到脈沖分配器,電機各相的通電狀態就發生變化,轉子會轉過一定的角度(稱為步距角)。正常情況下,步進 電機轉過的總角度和輸入的脈沖數成正比;連續輸入一定頻率的脈沖時,電機的轉速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系,不受電壓波動和負載變化的影響。在非超載的情況下, 電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數,而不受負載變化的影響,即給電機加一個脈沖信號,電機則轉過一個步距角。

    步進電機按旋轉結構分兩大類:1是圓型旋轉電機如下圖A 2直線型電機,結構就象一個圓型旋轉電機被展開一樣,如下圖B


     

    一,步進電機的種類
     現在,在市場上所出現的步進電機有很多種類,依照性能及使用目的等有各自不同的區分使用。
     
    舉個例子,各自不同的區分使用有精密位置決定控制的混合型,或者是低價格想用簡易控制系構成的PM型,由于電機的磁氣構造分類, 因此就性能上來說就會有影響,其它的有依步進 電機的外觀形狀來分類,也有由驅動相數來分類,和驅動回路分類等。
     
    以步進電機的轉子的材料可以分為三大類。
     
    1PM型步進電機:永久磁鐵型(permanent magnet type)
     
    2VR型步進電機:可變磁阻型(variable erluctance type)
     
    3HB型混合型步進電機,復合型(hybrid type)
     1
    ,PM
     PM
    型步進電機的原理構造如圖1所示,轉子是永久磁鐵所構成,更進一步的往這個周圍配置了復數個的固定子。
     
    在圖2.2.1上,轉子磁鐵為N、S一對,而它的固定子線圈由4個構成,這些因為和步進角有直接關系,所以如需要較微細的步進角時,轉子磁鐵的極數和發生驅動力的固定子線圈的數不能不對應的增加,還有在圖1的構造步進角為90°。
     
                                      
    1 PM型步進電機的原理圖(2相單極)

     而且,PM型的特征是因為在轉子是永久磁鐵構成的,所以就算在無激磁(固定子的任何線圈不通電時)也需在一定程度上保持了轉矩的發生,因而,依照利用這種的性質效果,可以構成省能積形的系統。
     
    這種的步進電機,它的步進角種類很多,釤鈷系磁鐵的轉子是用在45°或者90°上,而且這些也可以用氟萊鐵(ferrite)磁鐵作為多極的充磁,有3.75°、11.25°、15°、18°、22.5°等豐富的種類,但是從這些數字上看7.5°(48步進)是最為普及化的。

    2, VR
     VR
    型步進電機的構造,如圖2所示,轉子是利用轉子的突極吸引所發生的轉力,因而VR型在無激磁的時候,并不發生保持轉矩。
     

                             2 VR型步進電機的原理圖(2相單極)

    主要的用途適用在比較大的轉矩上的工作機械,或者特殊使用的小型起動機的上卷機械上。其它也有用在出力為1W以下的超小型電機上,總之,VR型的數量是非常少的,在步進 電機的全部生產量上只有數%程度而已。
     
    還有,步進角的種類有15°、7.5°、也有1.8°,但是在數量上以1.5°步進為最普及化。

     3 ,HB混合型
     
    混合型步進電機,是由固定子磁()極以及和它對向的轉子磁極所構成的,更近一步的它的轉子有這多數的齒車狀,在這些上是由轉軸和在同方向被磁化的永久磁鐵所組合而成,還有在構造上比前面的PM型以及VR型更復雜,基本上是可以考慮由VR型和PM型一體化的構造。
     hybrid type
    型有混合型的意思存在,這個剛好是VR型和PM型兩者組合的情況,所以就有如此的稱呼。
     
    一般上混合型,因具有高精度、高轉矩、微小步進角和數個優異的特征,所以剛開始在OA關系,其它的分類上也大幅的被使用,特別是在生產量上大半是使用在盤片記憶關系的磁頭轉送上。
     
    還有,在步進角上有0.9°、1.8°,其它的3.6°也有,比起其它的電機而言,具有極細的步進角。
     
    3為混合型步進電機的構造圖,在此,在固定子上側有8個激磁線圈部,更近一步的在磁極的先端上有復數的小齒(齒車狀突極) ,這些是對于轉子側的齒車狀磁極,還有步進電機的驅動機械裝置。


                                   
    3混合型步進電機的構造圖(2相單極)
     
     二,步進電機的驅動原理
     
    關于步進電機的驅動機械裝置,用簡單的構造圖簡易說明,在圖4
     
    是為了要說明步進電機驅動原理的構造圖,在固定架構上有4個電磁鐵并列這,它的下方有一個可動磁鐵對向這,而且,在磁鐵的下側上裝置了引導滾輪作直線狀的引導軸,沿這左、右移動的構造。


                                            
    4 直線型步進電機驅動原理
     
     
    如此,在此對步進電動機的動作順道追加說明,現在,電磁鐵L1和可動磁鐵Mg之間相互作用產生的磁氣吸引力,因而在這里場合,(a)部的位置滑動部產生靜止作用,其次是電磁鐵L2激磁時,剛才的電磁鐵L1 OFF,由于如此可動磁鐵就被吸引附在電磁鐵L2的位置上,就成為在(b)的位置上,更進一步的在電磁鐵L3受激磁時,剛才的電磁鐵L2 OFF,由于如此可動磁鐵就移動至電磁鐵L3的位置為止,就成為在(c)的位置上。
     
    以下,依照這各動作而反復的操作,可動磁鐵就會向箭頭方向移動,因而,依照像這種動作順次的操作下,可以實現出一種致動器(在此為直線運動),還有,在此所使用的電磁鐵L1~L4,在任何可動磁鐵(Mg)側上,都以產生N極的電流流通。
     
    而且,在此所說的構造圖并不是只能有4個電磁鐵而已,在必要上也可增加它的對應數。
     
    4的電機為直線型運動,總之就是屬于線性步進電機,因而,就如這樣并不能成為轉型的情況,如此,為了要成為轉型就必須下些功夫,圖5為了要使剛才線性型的構造成為旋轉型的總結,所以它的驅動原理在本質上和剛才的直線運動型一樣。
     

                                     5 作為轉構造的產品

     三,步進電機的特點
     
    1 旋轉的角度和輸入的脈沖成正比,因此用開回路控制即可達成高精確角度及高精度定位的要求。
     
    2 啟動、停止、正反轉的應答性良好,控制容易。
     
    3 每一步級的角度誤差小,而且沒有累積誤差。
     
    4 在可控制的范圍內,轉 速和脈沖的頻率成正比,所以變速范圍非常廣。
     
    5 靜止時,步進電機有很高的保持轉距(holding torque),可保持在停止的位置,不需使用煞車器即不會自由轉動。
     
    6 在超低速有很高的轉距。
     
    7 可靠性高,不需保養,整各系統的價格低廉。
     
    8 高速運轉時容易失步
     
    9 在某一頻率容易產生振動或共振現象

    四,選擇步進電機的參數

    引入轉矩(pull-in torque)
     
    引入轉矩是指步進馬達能夠與輸入訊號同步起動、停止時的最大力矩,因此在引入轉矩以下的區域中馬達可以隨著輸入訊號做同步起動、停止、以及正反轉,而此區域就稱作自起動區(start-stop region)。
     
    最大自起動轉矩(maximum starting torque)
     
    最大自起動轉矩是指當起動脈波率低于10pps時,步進馬達能夠與輸入訊號同步起動、停止的最大力矩。
      
    最大自起動頻率是指馬達在無負載(輸出轉矩為零)時最大的輸入脈波率,此時馬達可以瞬間停止、起動。
     
    脫出轉矩(pull-out torque)最大自起動頻率(maximum starting pulse rate)
    脫出轉矩是指步進馬達能夠與輸入訊號同步運轉,但無法瞬間起動、停止時的最大力矩,因此超過脫出轉矩則馬達無法運轉,同時介于脫出轉矩以下與引入轉矩以上的區域則馬達無法瞬間起動、停止,此區域稱作扭轉區域(slew region),若欲在扭轉區域中起動、停止則必須先將馬達回復到自起動區,否則會有失步現象的發生。
     
    最大響應頻率(maximum slewing pulse rate)
     
    最大響應頻率是指馬達在無負載(輸出轉矩為零)時最大的輸入脈波率,此時馬達無法瞬間停止、起動。
     
    保持轉矩(holding torque)
     
    保持轉矩是指當線圈激磁的情況下,轉子保持不動時,外界負載改變轉子位置時所需施加的最大轉矩。
     
    步進馬達轉矩與轉速之關系為指數式反比,也就是當轉速越大時轉矩越小,相反的轉速越小則轉矩越大,這種現象是因為激磁線圈可以視為電感與電阻的串聯電路,當激磁時線圈的電流與電阻、電感的關系如下式所示:
        (1)

    其中時間常數 。由式(1)可知線圈之激磁電流是隨時間而變,而輸出轉矩則與電流大小成正比,因此當轉速慢時線圈電流有足夠的時間達到最大值,因此輸出轉矩較大;相同的,當轉速提高時激磁訊號變換快速,使得線圈電流減弱造成輸出轉矩下降。
     
     
    五,步進電機術語 
    *
    相數:產生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數。常用m表示。 
      *
    步數:完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態用n表示,或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數,以四相電機為例,有四相四步執行方式即AB-BC- 
      *CD-DA-AB
    ,四相八步執行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。 
      *
    步距角:對應一個脈沖信號,電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度(轉子齒數J*執行步數),以常規二、四相,轉子齒為50齒電機為例。四步執行時步距角為θ=360/50*4=1.8度(俗稱整步),八步執行時步距角為θ=360/50*8=0.9度(俗稱半步)。 
      *
    定位轉矩:電機在不通電狀態下,電機轉子自身的鎖定力矩(由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的)。 
      *
    靜轉矩:電機在額定靜態電作用下,電機不作旋轉運動時,電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積(幾何尺寸)的標準,與驅動電壓及驅動電源等無關。雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比,與定齒轉子間的氣隙有關,但過分采用減小氣隙,增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的,這樣會造成電機的發熱及機械噪音。

    六,步進電機工作過程

    脈沖信號的產生
    脈沖信號一般由CPU或單片機產生的,一般脈沖信號的比例為0.3-0.4左右,電機轉速越高,比例則越大。
    微處理器
    以四相步進電機為例,四相電機工作方式有二種,四相四步為AB-BC-CD-DA;四相八步為AB-B-BC-C-CD-D-AB。
    功率放大
    功率放大是步進電機驅動系統最為重要的部分。步進電機在一定轉速下的轉矩取決于步進電機的動態平均電流而非靜態電流(而樣本上的電流均為靜態電流)。平均電流越大電機力矩越大,要達到平均電流大這就需要驅動系統盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的驅動方式,到目前為止,步進電機驅動方式一般有以下幾種:恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅動、恒流、細分數等。
      
     

                                            6 步進電機控制流程圖

    七,步進電機之運轉特性:
      
     
    6的步進電機控制流程圖中,步進電機系由微電腦控制器所控制,當控制信號自微電腦輸出后,隨即由驅動器將信號放大,達到控制電機運轉的目的,整個控制流程中并無利用到任何回饋信號,因此步進電機的控制模式為典型的閉回路控制(Close loop control)。閉回路控制的優點為控制系統簡潔,無回饋信號因此不需傳感器成本較低,不過正由于步進電機的控制為開路控制,因此若電機發生失步或失速的情況時,無法立即利用傳感器將位置誤差傳回做修正補償,要解決類似的問題只能從了解步進電機運轉特性著手。
       
    所謂失速是指當電機轉子的旋轉速度無法跟上定子激磁速度時,造成電機轉子停止轉動。電機失速的現象各種電機都有發生的可能,在一般的電機應用上,發生失速時往往會造成繞組線圈燒毀的后果,不過步進電機發生失速時只會造成電機靜止,線圈雖然仍在激磁中,但由于是脈沖信號,因此不會燒毀線圈。
       
    失速是指轉子完全跟不上激磁速度而完全靜止,失步的成因則是由于電機運轉中瞬間提高轉速時,因輸出轉矩與轉速成反比,故轉矩下降無法負荷外界負載,而造成小幅度的滑脫。失步的情況則只有步進電機會發生,要防止失步可以依照步進電機的轉速-轉矩曲線圖調配電機的加速度控制程序。圖7為步進電機之特性曲線,圖中橫坐標的速度是指每秒的脈沖數目(pulses per second)。與一 般電機特性曲線最大的不同點是步進電機有兩條特性曲線,同時步進電機可以正常操作的范圍僅限于引入轉矩之間。圖7中所示之各個動態特性將分別敘述如下:

                                          7 步進電機特性曲線

    八,步進電機的運用
      由于步進電機所使用的驅動訊號為脈波訊號,因此以普通直流電源加在電機繞組時,電機是不會連續轉動的。此外,步進電機的電源線最少有五條,其中一條為共接點,其余四條分別為A相、A+相、B相、B+四相的輸入點,有些步進電機的電源線共有六條,其中兩條為共接點,將A相、A+相,與B相、B+四相的輸入點分成兩組。要分辨何者為共接點,何者為輸入點以及正、反轉的激磁順序,可以先用三用電表之奧姆檔量測線圈之電阻值,理論上各相的電阻值應相等,找出共接點后再以低于額定電壓電流之直流電源一一測試,便可找出步進電機正、反轉的激磁順序。

    九,步進電機運轉原理

    如圖1為四相(實際為2相)式步進電機的基本構造圖。中間轉子由永久磁鐵所構成,左邊為N極,另一邊為S極。定子有四組線圈,分別為L1、L2、L3L4,各線圈的C端共接電源正極,另一端經由開關接在電源的負極,在看圖8。
      
    當我們把開關S1按下,則線圈A通入電流,產生N極磁場,因為磁場同性相斥、異性相吸,使轉子的S極被A極吸引過來。其次,放掉開關S1,并且立刻按下開關S2,則A極的磁場消失,B極產生磁場,把轉子的S極吸引過來,轉子隨著順時針方向90度。像這樣依次讓定子的四個極通入電流,就可以使轉子不停的旋轉。

       8 單極激磁等效驅動電路

    十,步進馬達的激磁方式

    步進馬達依定子線圈的相數不同可分成二相、四相及五相式,小型步進馬達以二相式較為普遍。

     
    單極性型(unipolar) :定子磁極極性為同一方向,如可變磁阻式步進馬達,磁極線圈只有一組,所加的激磁電流為固定方向,因此單極性步進馬達所需的電源較簡單。單極性驅動電路使用四只晶體管來驅動步進電機的兩組相位,電機結構則如圖9所示包含兩組帶有中間抽頭的線圈,整個電機共有六條線與外界連接-9。這類電機有時又稱為四相電機,但這種稱呼容易令人區分不了又不正確,因為它其實只有兩個相位,精確的說法應是雙相位六線式步進電機。六線式步進電機雖又稱為單極性步進電機,實際上卻能同時使用單極性或雙極性驅動電路。

                  單極性二相步進電機驅動電路

    雙極性型(bipolar) :定子磁極極性為兩個方向,如永久磁鐵式步進馬達,其轉子的極性和定子磁極極性有交互變化的需要。單一激磁線圈時其激磁方向為正負交替變化,兩組磁極線圈時,一組正向激磁,另一組負向激磁,兩組交替變化,使定子磁極極性變化。以雙極方式運用,其電源較為復雜。雙極性步進電機的驅動電路則如圖2所示,它會使用八只晶體管來驅動兩組相位。雙極性驅動電路可以同時驅動四線式或六線式步進電機,雖然四線式電機只能使用雙極性驅動電路,它卻能大幅降低量產型應用的成本。雙極性步進電機驅動電路的晶體管數目是單極性驅動電路的兩倍,其中四顆下端晶體管通常是由微控制器直接驅動,上端晶體管則需要成本較高的上端驅動電路。雙極性驅動電路的晶體管只需承受電機電壓,所以它不像單極性驅動電路一樣需要箝位電路。


                
    10 雙極性步進電機驅動電路
     
     
    二相步進馬達的激磁方式有下列兩種:
      (1).
    全步激磁
     
    全步激磁方式又可分為1 相激磁與2相激磁兩種方式,說明如下:
     1
    相激磁
     
    每次只激磁一相線圈,每輸入一個脈波,便產生一步級的轉,如圖11所示,由圖中可知,當激磁依ABABA……相順序,則馬達順時針方向旋轉;若依BABAB……相順序激磁,則馬達依逆時針方向旋轉。此種激磁方式之優點為線圈消耗功率小,角精確度良好,但其轉距小,加上阻尼特性不良,易失步。
      

                                                             11

     2相激磁
     
    每輸入一個脈波,將有二相線圈激磁,如圖12所示,由圖中可知,若依ABBAABBAAB……相順序激磁,則馬達順時針方向旋轉:若依BAABBAABBA……相順序激磁,則馬達轉向為逆時針方向。此種激磁方式由于同時有兩組線圈激磁,輸出轉距較大,加上阻尼效果良好,故能追蹤較高的脈波率,但其缺點為耗電較大,容易發熱。
      

                                                              12

      2)半步激磁
     
    此種激磁方式又稱1-2相激磁,激磁一相線圈和二相線圈交互進行,每加入一數字脈波所轉動之角度為原步進角的一半,因此分辨率可提高一倍,且運轉時相當平滑,故與2相激磁方式同受廣泛使用。圖13為二相步進馬達采用1-2相激磁方式之時序圖,由圖中可知,若依照AABBBAAABBBAAAB……相的順序激磁,則步進馬達將以順時針方向旋轉;但如果依照BAAABBBAAABBBA……相順序激磁,則馬達逆時針方向旋轉
     
     
                                                                               
    13

                                            14  二相5/6線步進電機內部接線圖                          

     

     

     


     

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