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1、一.步进马达的概论1 .步进马达名称的由来一步进马达在英文有多种表达方式,(Stepping motor,Step motor,Stepper motor,Pulse motor),但不管用什么样的方式表示,对中文而言,就是一步一步阶段性的动,也就是输入一个脉波,马达就会有一定的回转角度,所以在中文就称呼为步进马达.2 .步进马达的历史背景-1830年代文献上就有步进马达的记载,但它的性能非常的简单,考虑的只是单纯的动作而已,一直到 1930年被应用在船舰遥控技术上,1960年代开始进入工作机械作定位用,更进一步1980年代生产量到3000万台,其中有80%使用在OA有关的产业上,1990 年
2、代随信息产业的快速开展,步进马达的使用量也跟着快速成长.3 .步进马达的特征及用途-步进马达具体有以下的特征,所以可以广泛的应用在OA产品上3.1 可以作间隙性驱动、正转、逆转、变速以及微型驱动3.2 总回转角度与输入脉波的总数成正比,回转速度也与输入频率成正比.3.3 由于与频率成正比例关系,所以可以利用数字信号来限制定位.3.4 角度的误差小,而且不会积累误差.3.5 在低速时具有高转矩的特性.目前步进马达在各方面应用上主要针对它特征加以活用,以其间隙性动作为纸张传送,以及位置定位最多.4 .步进马达的定位步进马达因具有优异的限制特性,而且可以到达数百瓦的输出功率,所以作为限制的动力源 具
3、有非常高的价值.在马达的分类上步进马达是属于较特殊的马达,由于它同时输入两种信号是DC电源,另一方面输入数字 AC信号,但马达一般是依照电源来区分.AC马达：感应式马达同步马达交直流两用马达DC马达:有刷马达无刷马达步进马达二.PM型步进马达的根本构造1 .马达的零件组件步进马达的零件组件大体上是有转子组,定子组与其它配件所组成2 .转子组(ROTOR)轴,磁铁保持器,磁铁这三种零件组合2.1 轴心步进马达属于无刷马达的一种,在可靠性上除了轴心与轴承相互磨损外,无其它因素存在,所以轴心材质及精度必须慎重的选择与限制,才能到高可靠的要求.2.2 磁铁保持器针对马达惯性量的考虑,目前使用的材质有主
4、要的三种 ,一为铝合金,二为铜制品,三为塑料. 制品.铝合金制造上有使用 CNC车削,或者压铸成型后 CNC车削,车削在大量生产时品质和生产量 比塑料制品不容易限制,而且为了将低转子惯性量,大局部会将内部掏空降低重量.2.3 磁铁铉帖硼(NdFeB)3 .定子组(STATOR)PM型步进马达定子, 一般是使用板金折曲成为多爪机型,由于是使用板金结构,所以无法获得较高的磁场,但构造及加工简单, 是属于较简单的机型. 定子的齿形精度直接影响马达的步进角误差,所以在加工技术和品质检验,必须要非常注意.4 .完成马达完成后,对马达根本特性的检验非常重要,一般检查标准是以马达规格成认书为依据,我们公司在
5、生产时是采用2次1 0 0%,全数检查,以保证马达品质.三.步进马达的根本理论1 .动作原理步进马达的根本理论,与其它种类马达比拟之下, 并没有比拟困难的地方,唯一最大 的不同点,是它必须伴随驱动回路才能运转.2 .根本回路步进马达如刚刚所说的,它不像一般的D C马达一样,只要通上电源就可以使马达运转,它必须要有驱动回路来辅助.一般步进马达的驱动方式有单极性(UNI POLAR)和双极性(B I POLAR)两种其中UN I POL AR最普遍.四.步进马达的根本特性1 .静特性1-1角度变位与马达转矩特性步进马达有一个非常重要的特性,它就是角度变位与马达转矩特性的相关曲线.马达在输入1相激磁
6、状态,此时马达并没有回转,如果在马达出力轴施加一负载转矩,转矩使马达产生角度的变位,而马达本身会产生一力矩来平衡,当负载转矩增加时,变位角度就会增大, 而马达所产生的力矩也相对的增大,在此比例增加的范围内,一般称呼为安定区域.可是当负载转矩持续增加到超过马达上午保持转矩值(HOLDING TORQUE) 时,马达此时会产生相反方向转矩,从安定领域转移到不安定点.使用步进马达大局部在安定领域范围内运作,也就是说负载转矩不可以超过马达的保持转矩,此时步进角度误差不受外部因素影响.1 2马达在无激磁时的保持器的保持转矩(DETENTTORQUE)PM型步进马达转子是使用永久磁铁,在无激磁情况下,由于
7、磁铁和齿形板之间相互引力作用,所以存在的保持转矩 (DETENT TORQUE) DETENT TORQUE 值会影响马达阻尼特性及加减功能,所以对于此值的管制非常的重要,而治理重点主要在于磁铁充磁后TO L ERANC E的管制.马达在正常运转下会出现动态特性,而一般使用者会依照此特性,而一般使用者会依照此特性选择适当的马达.2 1静特性最大保持转矩(HOLDINGTORQUE)马达在受激磁而不回转状态下,经常加负载转矩使马达所能输出的最大转矩.一般负载转矩都会设计在小于保持转矩下,防止造成马达在静止动作时产生反方向运转,造成角度误差.2 一 2最大启动转矩(MAX I MUNSTARTIN
8、G TORQUE)可以使马达运转时最大转矩,此时马达使用频率设定在1 OPPS,一般在实际使用步进马达时,很少使用这么低的频率,大局部会高出1 0 P P S ,所以在选择马达最低频率转矩时,会依照客户实际使用频率作为基准.2 一 3最大自起动频率(MAX I MUNSTARTING PULSERATE)当马达输入一般频率时,而且频率刚好是马达无法回转的最大频率值.一般实际使用,由于负载本身具有负载转矩,所以使用的起动频率会低于此频率,所以客户应尽可能提供使用的最大自起动给百特尔电子,以便依此频率定马达转矩规格.2 一 4最大连续响应频率(M AX I MUN S L EW I NGPLSE
9、RATE)当马达在正常运转的状态下,将输入频率增加到马达无法正常运转或者停止运转时的最大频率.当马达用在加减速时, 此频率就非常重要, 一般使用PULLOUT TORQUE时,负载本身转矩有很大关系,所以客户应与百特尔公司的R&D作实物上的协商,较能适当的配合.2 5引入转矩(PULL IN)马达在输入一频率后, 此时马达会输出一最大转矩,如此依照输入频率由小到最大自起动频率为止,所绘制的频率和转矩相关曲线称为PULLIN TORQUE曲线. 步进马达的特性,PULL IN TORQUE会随着频率增加而减少.而马达由禁止状态起动,马达转矩必须克服静磨榛力和阻尼,所以选择马达转矩必须要考虑机构本
10、身及马达制造上T ORQUE,使用马达转矩最好要比实际使用转矩的平均值高出3 0 %较为平安.2 6 脱出转矩(PULLOUT TORQUE)马达在输入一频率后,而且马达在正常运转状态下,此时马达会输入一最大转矩,如此依照输入频率由小到大连续响应频率为止,所绘制的最大频率和转矩相关曲线称为P U L LOUT TORQUE曲线.客户如果使用到PULLOUT TORQUE时,必须在回路上作加减动作,一般加减速所使用的频率切换速度比拟快,如此可能造成马达失步现象.五.步进马达的激磁方式与特征步进马达依照线圈方式,可分为1相,2相,3相,4相,5相等机种,但是步进马达使用的驱动回路的 激磁方式,又可
11、以产生1相,1-2相,2相,3-4相,4相,4-5相多种分类.一月殳PM型步进马达大局部是 2相马达,而其激磁方式以 2相及1-2相较多.A.2相马达的1相激磁方式马达输入脉波每次只流过1个线圈,所以马达输入的转矩较小,但是由于流过电流小,所以温升效应较佳,而且步进马达角度误差也较好.一般除了不要求转矩以外,很少使用.B. 2相马达的2相激磁方式马达输入脉波每次流过2个线圈,所以马达可以获得的输出转矩较大,约为2相激磁的1.4倍,但是由于每次流过电流较大,所以必须考虑温升效应,而且2相会有误差存在,所以步进角度误 差比1相激磁差,但是马达整体效应好,所以被普遍使用.C.2相马达的1-2相激磁方
12、式马达输入脉波每次流过 1相再2相线圈的相互交叉方式,可以说是介于1相激磁和2相激 磁之间,它最大的特征是,马达的步进角是 2相激磁的一半,也就是半步驱动,可以改善马达的振动; 问题.相同的步进角度使用 1-2相激磁时,必须输入两倍的脉波,才能到达2相激磁相同的步进角. 由于它可以获得较好的振动效果,所以大局部使用此激磁方式是为了克服振动问题,但由于1-2相相互激磁,相对于马达的步进角度误差 ,比1相和2相激磁差,此点要注意.六.步进马达的驱动方式步进马达的驱动方式有两种1 .单极性驱动方式(UNIPOLAR)单极性驱动方式,大局部是使用在有中间接头的线圈,由于脉波电流方向为一定的驱动方式,所
13、以整体效率很差,只有1/2而已,对马达输出转矩差,但由于驱动回路简单,所以使用率很高.2 .双极性驱动(BIPOLAR)双极性驱动方式是在马达单卷上,附上流过双向脉波电流方式,所以可以用2个线圈构成2相 马达.由于在1个线圈流过双向的电流,所以在回路上比拟简单,一般是使用电源桥方式比拟多,无方式和其它驱动回路比拟之下,驱动线圈流过双向电流,所以发热现象比拟严重,一般都会使用限流回路,防止温度过高,造成马达转矩下将或者损坏,它的输入转矩流过电流而言,是UNIPOLAR方式,但是由于温升问题所以BIPOLAR大局部是使用定电流方式限制七.如何和马达制造厂R & D部门互动步进马达在此之前都是日商供
14、给,由于语言和其它的因素使用者对于马达上应用知识无法直接从马达的设计人员获得,最多只能从书本上求援,这是一件非常遗憾的事情,身为技术者最重要的,除了对于产品的专业熟悉以外,相关性的零组件的专业应用也是非常的重要,尤其马达是工业产品的动脉心脏,更加不可无视.A.客户必须先知道负载本身的转矩和产量时TOLERANCE,使用最高频率(PUL L IN AND PULL OUT)和使用驱动回路2 2相或者1 2相, 使用温度的 要求再与马达厂R & D人员进行沟通选择适当的步进马达.B.在选定马达后必须要考虑马达共振频率的问题.此资料可以请马达在提升样品时一起提供使用者参考.C.马达在实际装入机构后,往往会和理论值有差异,此时最好的方法是双方就机构和马 达实质作搭配检讨,在进行此阶段时为求最正确效果的方式是客户R & D人员可以带机构到马达厂 双方进行检讨,由于马达厂可以快速的提供配合样品和测试相关D ATA,百特尔电子在这方面的配合,已经获得很高的评价和效果,这是一般无法提供的技术效劳.