步进电机原理应用案例__看完这个你就是步进高手_工学_高等教育_教育专区。步进电机原理应用案例__看完这个你就是步进高手

　　步进电机原理 按照常理来说，步进电机接线要根据线的颜色来区分接线。但是不同生产的 步进电机，线的颜色不一样。特别是国外的步进电机。 那么，步进电机接线应该用万用表打表。 步进电机内部构造如下图： 通过上图可知，A，~A 是联通的，B 和~B 是联通。那么，A 和~A 是一组 a，B 和 ~B 是一组 b。 不管是两相四相，四相五线，四相六线步进电机。内部构造都是如此。至于究竟 是四线，五线，还是六线。就要看 A 和~A 之间，B 和 B~之间有没有公共端 com 抽线。如果 a 组和 b 组各自有一个 com 端，则该步进电机六线，如果 a 和 b 组的 公共端连在一起，则是 5 线的。 所以，要弄清步进电机如何接线，只需把 a 组和 b 组分开。用万用表打。 四线：由于四线没有 com 公共抽线，所以，a 和 b 组是绝缘的，不连通的。 所以，用万用表测，不连通的是一组。 五线：由于五线中，a 和 b 组的公共端是连接在一起的。用万用表测，当发现有 一根线和其他几根线的电阻是相当的，那么，这根线就是公共 com 端。对于驱动 五线步进电机，公共 com 端不连接也是可以驱动步进电机的。 六线：a 和 b 组的公共抽线 com 端是不连通的。同样，用万用表测电阻，发现其 中一根线和其他两根线阻止是一样的，那么这根线 根线就属于一 组。对于驱动四相六线步进电机，两根公共 com 端不接先也可以驱动该步进电机 的。 步进电机相关概念: 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. 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 θ 表示。θ=360 度（转 子齿数 J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为 50 齿电机为例。四拍运行时 步距角为 θ=360 度/（50*4）=1.8 度（俗称整步），八拍运行时步距角为 θ=360 度/（50*8）=0.9 度（俗称半步）。 定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波 以及机械误差造成的） 静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。 此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。 步进电机驱动 驱动步进电机，无非是给电机 a 和 b 组先轮流给连续的脉冲，步进电机就可以驱 动了。 步进电机驱动码： 从图中可以看出来,要实现步进电机的转动,可以用以下两种方式: (1)8 拍的方式 八个状态：1、在 A 与 A-正电压，B 与 B-不给电悬空；2、在 A 与 A-正电压，B 与 B-也给正电压；3、A 与 A-不给电压悬空，B 与 B-正电压；4、A 与 A-给负电 压，B 与 B-给正电压；5、A 与 A-给负电压，B 与 B-不给悬空；6、A 与 A-给负电 压，B 与 B-给负电压；7、A 与 A-不 给电悬空，B 与 B-给负电压；8、A 与给正电压，B 与 B-给负电压；按以上八个 状态轮流供电，控制一下脉宽应该就可以了。 四个引脚各一根控制线：A~H 表示各线时序 ABCDEFGH A 11000001 A- 00011100 B 01110000 B- 00000111 ......... (2)4 拍的方式 我的方法 一般是电流驱动的。 我下面的 a~ 和 b~ 表示反向电流。 两相双二拍： ab － a~b － a~b~ － ab~ 为一个转向。 ab － ab~ － a~b~ － a~b 为反向。 自己的一点体会:偶觉得两相 4 线 线电机 差不多.(这从上面 我画的图)也可以看出来,只不过物理上绕线的方式不同(这也导致编程上脉冲表 的不同),在功能上是一样的. 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 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 。 定子绕组 转子 定子 转子 A 定子 B C 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。 工作方式 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。 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 一、三相单三拍 三相绕组中的通电顺序为： A相→B相→C相 A B 1 C 42 C 3B A 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 化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁 路的磁阻小，使转、定子的齿对齐停止转动。 A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。 A B 4 1 C C 32 B A A B C 12 43 C B A 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°。 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θS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： A→AB→B→BC→C→CA→A 共六拍。 工作过程： A B 1 C 42 C 3B A A相通电，转子1、3齿和A相对齐。 A、B相同时通电 A B 4 1 C 2 3 C B A （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。 （2）AA 磁场继续对1、3齿有拉力。 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°。 B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15°。 A B 4 1 C 32 C B A 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°。 三、三相双三拍 三相绕组的通电顺序为： AB → BC → CA → AB 共三拍。 A B 1 C 4 2 3 C B A A B 41 C 32 C B A AB通电 BC通电 A B 4 1 C C 32 B A CA通电 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 θS = 30°。 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。 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 的角度称步距角。 A ? 转子齿数越多，步距角 θb越小 1 ? 定子相数越多，步距角 θb越小 2 ? 通电方式的节拍越多，步距角 θb 越小 A A 那大家知不知道θb 怎么计算呢？？ 1 4 2 3 A 步进电机的振荡、失步与对策 1、振 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 步： 步进电动机的失步原因有2种： 1）转子的转速慢于旋转磁场的速度、或者说慢于换相 速度(丢步)。 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。 2）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）。 3、消除振荡——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 特点： 共振区 步进电动机矩频特性 下降曲线。以 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 矩频特性下降的原因： 1）、绕组电感影响： 绕组中的电流上升和下降 都需要—定的时间。当脉 冲频率较低时绕组通电的 周期较长，电流的平均值 较大，电动机获得的能量 较高，能维持较高的转矩 ；当脉冲频率较高时，绕 组中通电的周期较短, 电 流的平均值较小，电动机 获得的能量较少，转矩下 降。 步进电动机的驱动电路 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。 提高矩频特性的高频性能措施 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。 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。 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 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 A→B→C ； ★ 双三拍， 通电顺序为 AB→BC→CA ； ★ 三相六拍，通电顺序为 A→AB→B→BC→C→CA ； 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， 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驱动器可以接收的反应频率达 200KHz。 自动半流功能 α 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 通用步进系统 脉冲信号 很难得到驱动器内部信息 X 位置反馈 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。 MOTEC智能步进系统 运动控制网络信号 轻松得到驱动器内部信息 (位置、速度、力矩等) 位置反馈 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。 内置运动控制器步 α 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SD3驱动 器以网络模式协同工作时，输入输出点的数 量也相应得到扩展。 内置总线/CAN总线轴也 可以是意美德HLD智能伺服、DBM直流智能 空心杯伺服、SD3智能步进以及其他具有总 线接口的控制设的组合，进而实现110轴联 动。由于采用了分布式系统结构，各轴的运 动轨迹规划可在本地完成，大大提高系统整 体响应速度，减少了上位机控制器的工作量 和复杂程度，有利于优化系统结构，提高系 统整体效率。 可直连HMI或者PC SD3驱动器可通过RS232/485直连HMI或 PC，不仅可以进行参数设置、调试，还可以 通过RS232/485直接由PC或HMI实现对SD3 驱动器的实时控制，上位机也可实时获取 SD3驱动器内部的电流值等数据。 可直连HMI或者PC SD3驱动器可通过RS232/485直连HMI或 PC，不仅可以进行参数设置、调试，还可以 通过RS232/485直接由PC或HMI实现对SD3 驱动器的实时控制，上位机也可实时获取 SD3驱动器内部的电流值等数据。 多种控制模式 SD3驱动器为用户提供四种控制模式，包括传统的 脉冲+方向控制模式、模拟量控制模式、总线网络 控制模式和独立运行模式,以下逐一说明。 脉冲控制模式 SD3驱动器支持传统的脉冲+方向信号控制模式,兼 容双脉冲信号输入。 第二模拟量控制模式 SD3驱动器兼容传统伺服常用的正负10V模拟量控 制模式，使原来使用伺服的系统在速度扭矩满足条 件的情况下，可以方便地采用步进替代，形成低成 本解决方案，满足不同层次客户的需求。 第三总线控制模式 上位机通过总线驱动器的控制， 上位机通过总线驱动器实时双向通 讯，可随时与SD3驱动器对话，交换数据；系统 架构灵活，便于扩展；SD3驱动器具有轨迹规划 等功能，有利于提高系统整体效率。 第四独立运行模式 由于SD3驱动器内置了步进控制器和PLC模块， 它可以通过本地编程脱离上位机而独立工作，仅 靠单个或者多个SD3驱动器即可实现对一些设 的控制，如精密仪器，医疗器械等。SD3驱动器 内置I/O点，具有一定逻辑控制等功能，大大扩 展了独立运行模式的应用范围,用户可通过开关 按钮、HMI等实现对运动系统的控制。 软件功能强大 SD3驱动器可编程型以及网络型产品随机提 供MotionStudio软件,用于驱动器参数设置、 测试、试运行，驱动器内部数据获取和图形 化分析等功能。MotionStudio提供图形化的 运动控制程序编程界面，用户可方便地进行 逻辑控制程序和运动控制程序的编程，完成 后可下载到SD3驱动器实施独立运行。 DLL动态库支持 SD3驱动器为用户进行上位机控制程序开发 提供了完善的DLL动态库Motionlib，支持用 户可方便地利用VB、VC等高级语言进行二 次开发，通过调用动态库函数实现对SD3驱 动器的控制和数据通讯。 远程故障诊断 SD3驱动器具远程故障诊断功能，意美德客户服 务中心可籍由此功能为用户提供远程故障诊断服务。 远程故障诊断服务可以令意美德技术工程师实时查 看到用户设的参数设置，运行状态等，这样就能 够以的效率为客户提供技术支持和服务。客户 只需将智能型SD3驱动器连接到PC机上（系统结构 如下图所示)经过用户的授权，意美德的技术专家可 以通过互联网连接到现场设详细了解设使用情 况、故障现象以及设性能参数，指导用户查找问 题原因，制订解决方案。在某些情况下还可通过这 项功能进行在线维修，为客户节省维修成本和减少 停机时间。 MOTEC α 系列步进系统主要特点 SD3驱动器 法兰尺寸：42mm-132mm 保持扭矩：0.1Nm-50Nm SM3步进电机 2种电流等级：6A、8A 3种供电方式：60VDC、80VDC、 220VAC 4个系列： S型——标准型。 P型——可编程定位型。内置256段定长运动控制且每段可 设置成任意运行次数。标配232通讯。 B型——总线、EtherCAT。标配232通 讯。 C型——用户定制。例如根据客户的负载特性和运行曲线， 设定特定的参数和正弦波形。 α系列三相混合式步进驱动器型号命名 规则 α 系列三相混合式步进电机型号命名 规则 α 系列4型电机参数 α 系列6型电机参数 α 系列9型电机参数 α 系列A型电机参数 α 系列B型电机参数 距频特性曲线 选型 步进选型三宝：扭矩，转速，和距频特 性 例V=900RPM，TK=1.23Nm，选出合理电机 900RPM=15RPS，360/0.36=1000 ， 15*1000=15000pps可以从距频特性中查询到 对应的步进电机 两项步进和三相相似 SM235系列两相混合式步进电机 SM239系列两相混合式步进电机 SM242系列两相混合式步进电机 SM257系列两相混合式步进电机 SM285系列两相混合式步进电机 应用案例 ssttoonnee::步步进进电电机机控控制制打打 料料螺螺杆杆灌灌装装精精度度准准确确，， 该该机机用用于于包包装装袋袋装装的的粉粉 状状类类，，计计量量系系统统为为步步进进 电电机机控控制制。。如如：：农农药药、、 化化肥肥、、兽兽药药、、饲饲料料、、面面 膜膜粉粉、、奶奶粉粉、、调调味味品品等等。。 螺螺杆杆灌灌装装适适用用于于流流动动性性 不不好好的的物物料料，，具具有有快快速速、、 准准确确、、经经济济、、实实用用的的优优 点点。。 粉剂包装机 光盘选取机 ssttoonnee::电电脑脑控控制制 程程序序，，即即时时显显示示光光 盘盘存存储储库库的的工工作作状状 态态，，应应用用于于图图书书馆馆 光光盘盘管管理理及及一一些些档档 案案管管理理等等 电压互感器专用绕线机 ssttoonnee::失失 血血量量在在2200％％ 以以上上，，需需要要 常常规规配配血血的的 手手术术，， 自体血液回收机 商用表格印刷机 数控高压水射流切割机 喷泉喷头角度控制
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