步進(jìn)電機(jī)知識(shí)詳解，再也不怕看不懂步進(jìn)電機(jī)了
作者：小編
時(shí)間：2022-11-17 19:14:48
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步進(jìn)電機(jī)是一種直接將電脈沖轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的機(jī)電裝置， 通過控制施加在電機(jī)線圈上的電脈沖順序、 頻率和數(shù)量， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、 速度和旋轉(zhuǎn)角度的控制。在不借助帶位置感應(yīng)的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的情況下、 使用步進(jìn)電機(jī)與其配套的驅(qū)動(dòng)器共同組成的控制簡(jiǎn)便、 低成本的開環(huán)控制系統(tǒng)， 就可以實(shí)現(xiàn)精確的位置和速度控制。基本結(jié)構(gòu)：
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)外來(lái)的控制脈沖和方向信號(hào)， 通過其內(nèi)部的邏輯電路， 控制步進(jìn)電機(jī)的繞組以一定的時(shí)序正向或反向通電， 使得電機(jī)正向/反向旋轉(zhuǎn)， 或者鎖定。以1.8度兩相步進(jìn)電機(jī)為例：當(dāng)兩相繞組都通電勵(lì)磁時(shí)， 電機(jī)輸出軸將靜止并鎖定位置。在額定電流下使電機(jī)保持鎖定的最大力矩為保持力矩。如果其中一相繞組的電流發(fā)生了變向， 則電機(jī)將順著一個(gè)既定方向旋轉(zhuǎn)一步（ 1.8度）。同理， 如果是另外一項(xiàng)繞組的電流發(fā)生了變向， 則電機(jī)將順著與前者相反的方向旋轉(zhuǎn)一步（ 1.8度）。當(dāng)通過線圈繞組的電流按順序依次變向勵(lì)磁時(shí)， 則電機(jī)會(huì)順著既定的方向?qū)崿F(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)， 運(yùn)行精度非常高。對(duì)于1.8度兩相步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周需200步。兩相步進(jìn)電機(jī)有兩種繞組形式：雙極性和單極性。雙極性電機(jī)每相上只有一個(gè)繞組線圈， 電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)電流要在同一線圈內(nèi)依次變向勵(lì)磁， 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上需要八個(gè)電子開關(guān)進(jìn)行順序切換。單極性電機(jī)每相上有兩個(gè)極性相反的繞組線圈， 電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)只要交替對(duì)同一相上的兩個(gè)繞組線圈進(jìn)行通電勵(lì)磁。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上只需要四個(gè)電子開關(guān)。在雙極性驅(qū)動(dòng)模式下， 因?yàn)槊肯嗟睦@組線圈為100%勵(lì)磁， 所以雙極性驅(qū)動(dòng)模式下電機(jī)的輸出力矩比單極性驅(qū)動(dòng)模式下提高了約40%。
TJ = J * dw/dtJ = M * (R12+R22) / 2 (Kg * cm)
速度-力矩曲線是步進(jìn)電機(jī)輸出特性的重要表現(xiàn)形式。電機(jī)在某一點(diǎn)的轉(zhuǎn)速值。例如： 距角1.8°的步進(jìn)電機(jī)， 在 1/2 細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式下(即每步 0.9°) ， 工作頻率 500Hz 時(shí)的轉(zhuǎn)速為1.25r/s.
步進(jìn)電機(jī)可以直接啟動(dòng)和停止的區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)， 電機(jī)無(wú)法直接啟動(dòng)或停止。 電機(jī)在該區(qū)域內(nèi)運(yùn)行必須先經(jīng)過自啟動(dòng)區(qū)域， 然后經(jīng)過加速達(dá)到該工作區(qū)域運(yùn)行。 同理， 電機(jī)在該區(qū)域內(nèi)也無(wú)法直接制動(dòng)， 否則容易造成電機(jī)失步， 必須先經(jīng)減速到達(dá)自啟動(dòng)區(qū)域內(nèi)再制動(dòng)。電機(jī)空載狀態(tài)下， 保證電機(jī)不丟步運(yùn)行的最大脈沖頻率。空載情況下， 已勵(lì)磁電機(jī)運(yùn)行而不丟步的最高脈沖頻率。滿足步進(jìn)馬達(dá)在一定脈沖頻率下啟動(dòng)并開始運(yùn)行， 不失步的最大負(fù)載力矩。滿足步進(jìn)馬達(dá)在一定脈沖頻率下穩(wěn)定運(yùn)行， 不失步的最大負(fù)載力矩。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率點(diǎn)在速度-力矩曲線的連續(xù)運(yùn)行區(qū)域內(nèi)時(shí)， 如何縮短電機(jī)啟動(dòng)或停止時(shí)的加速或減速時(shí)間， 使電機(jī)更長(zhǎng)時(shí)間地運(yùn)行在最佳速度狀態(tài)， 從而提高電機(jī)的有效運(yùn)行時(shí)間是非常關(guān)鍵的。如下圖所示， 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩特性曲線， 低速運(yùn)行時(shí)曲線為水平直線狀態(tài)； 高速運(yùn)行時(shí)， 由于受到電感的影響， 曲線發(fā)生了指數(shù)下降。A. 低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的直線加速運(yùn)行已知電機(jī)負(fù)載為TL， 假設(shè)想從F0 在最短時(shí)間 (t r)內(nèi)加速到F1， 如何來(lái)計(jì)算最短時(shí)間 t r ?(1) 通常情況下 TJ = 70%Tm(2) tr = 1.8 * 10 -5 * J * q * (F1-F0)/(TJ -TL)(3) F (t) = (F1-F0) * t/tr + F0, 0<t<tr
B. 高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的指數(shù)加速運(yùn)行TJ0 = 70%Tm0TJ1 = 70%Tm1TL = 60%Tm1
tr = F4 * In [(TJ 0-TL)/(TJ 1-TL)]
F (t) = F2 * [1 – e^(-t/F4)] + F0, 0<t<trF2 = (TL-TJ 0) * (F1-F0)/TJ 1-TJ 0)F4 = 1.8 * 10-5 * J * q * F2/(TJ 0-TL)
J 表示電機(jī)轉(zhuǎn)子加負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。q 表示每一步的轉(zhuǎn)動(dòng)角度， 在整部驅(qū)動(dòng)時(shí)就是指電機(jī)的步距角。在減速運(yùn)行時(shí)， 只需將上述的加速脈沖頻率反轉(zhuǎn)過來(lái)計(jì)算就可以了。一般來(lái)講， 步進(jìn)電機(jī)在空載運(yùn)行情況下， 當(dāng)電機(jī)的運(yùn)行頻率接近或等于電機(jī)轉(zhuǎn)子的固有頻率時(shí)會(huì)發(fā)生共振，嚴(yán)重的會(huì)發(fā)生失步現(xiàn)象。A. 避開振動(dòng)區(qū)：使電機(jī)的工作頻率不落在振動(dòng)范圍內(nèi)B. 采用細(xì)分的驅(qū)動(dòng)模式：使用微步驅(qū)動(dòng)模式， 將原來(lái)的一步細(xì)分為多步運(yùn)行， 提高電機(jī)的每步分辨率， 從而降低振動(dòng)。這可以通過調(diào)整電機(jī)的相電流比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。微步并不會(huì)增加步距角精確度， 卻能使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)， 噪音更小。一般電機(jī)在半步運(yùn)行時(shí)， 力矩會(huì)比整步時(shí)小15%， 而采用正弦波電流控制時(shí)， 力矩將減小30%。
1 | 產(chǎn)業(yè)機(jī)器專用系列 |
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2 |
機(jī)座號(hào) | 電機(jī)外形尺寸 ( 機(jī)座尺寸為英制尺寸的 10 倍 )(6:14mm; 8:20 mm; 11:28mm; 14:35mm; 17:42mm; 23:56mm; 24:60mm;34:86mm; 42:110mm) |
3 | 步距角代號(hào) | HY, HS, HD: 步距角 1.8° |
4 | 鐵芯長(zhǎng)度代號(hào) |
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5 | 引線數(shù)量 | 0: 表示插座式電機(jī)4: 引出線 4 根8: 引出線 8 根 |
6 | 性能代號(hào) | 表示電機(jī)的電流，力矩等性能參數(shù) |
7 |
機(jī)械代號(hào) | 表示電機(jī)的出軸、引線、螺釘、剎車器及編碼器等機(jī)械參數(shù)-E1000D 編碼器型、 -PGXX 減速機(jī)型、 -BR01 永磁式制動(dòng)器型 |
規(guī)格 | 電機(jī)部分 |
步距角精度 | ±5% ( 測(cè)試條件：恒流驅(qū)動(dòng)器 /24V/ 兩相通電 / 額定電流 / 整步速度：1rps) |
絕緣等級(jí) | B 級(jí) (130°C) |
使用環(huán)境（運(yùn)行時(shí)） | 環(huán)境溫度 | -20 ～ +50°C ( 無(wú)結(jié)冰 ) |
環(huán)境濕度 | 85% 以下 ( 無(wú)結(jié)露 ) |
介質(zhì)環(huán)境 | 無(wú)腐蝕性氣體及塵埃。不直接接觸水、 油等（標(biāo)準(zhǔn)型保護(hù)等級(jí) IP65 規(guī)格：無(wú)腐蝕性氣體。不直接接觸油。） |
溫度上升 | 溫升小于 80°C ( 溫升是指在一定環(huán)境溫度條件下， 線圈溫度增加的最大值。繞組溫度的測(cè)試采用電阻法。在恒壓驅(qū)動(dòng)模式下，驅(qū)動(dòng)電壓為額定電壓， 兩相通電， 轉(zhuǎn)速為 0pps。在恒流驅(qū)動(dòng)模式下， 驅(qū)動(dòng)電流為額定電流， 兩相通電， 轉(zhuǎn)速為空載起動(dòng)頻率。散熱板：鋁板 160×160×t1.6(mm)) |
徑向跳動(dòng) | 0.050T.I.R.(mm) |
徑向竄動(dòng) | 0.02mm Max.(500gf) |
軸向竄動(dòng) | 0.08mm Max.(500gf) |
安裝法蘭相對(duì)于轉(zhuǎn)軸的同軸度 | 0.075T.I.R.(mm) |
安裝面相對(duì)于轉(zhuǎn)軸的垂直度 | 0.100T.I.R.(mm) |
機(jī)座型號(hào) | 允許徑向負(fù)載(距軸端的距離 L) | 允許軸向負(fù)載 |
0mm | 5mm | 10mm | 15mm | 20mm |
6HY | 12 | 15 | 20 | --- | --- | 電機(jī)本身重量以下 |
8HY | 12 | 15 | 20 | --- | --- |
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11HS | 20 | 25 | 34 | 52 | --- |
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14HS | 20 | 25 | 34 | 52 | --- |
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17HD | 20 | 25 | 34 | 52 | --- |
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23HS | 50 | 60 | 75 | 100 | 150 |
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24HS | 61 | 73 | 90 | 110 | 160 |
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34HD | 260 | 290 | 340 | 390 | 480 |
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42HS | 390 | 435 | 510 | 585 | 720 |
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