[信息与通信]步进电机概述.ppt

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1、步进马达概述,1、步进马达发展及应用领域 2、步进马达定义、结构 3、步进马达工作原理 4、步进马达基本参数和特性 5、步进马达选型 6、步进马达使用事例 7、步进马达与伺服马达差异比较 8、步进马达使用时的几点疑问,1、步进马达发展及应用领域,1923年，苏格兰人James Weir French 发明三相可变磁阻型(Variable reluctance)马达，可以认为是步进马达的前身。 步进马达(Stepping motor)在当今信息工业社会中所扮演的角色日趋重要，尤以计算机外围的一些装置更是不可缺少，如:软驱、光驱、打印机、绘图机等，又如CNC工具机、机器人、顺序控制系统等各种信息工

2、业产品中，无不以步进马达作为其传动的核心。,2、步进马达定义、结构,1）步进电机定义：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制组件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。,2）步进电机分类 ：现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）

3、、混合式步进电机（HB）等。 反应式步进电机(VR) 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步距角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 永磁式步进电机(PM) 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步距角一般为7.5度或15度，多用于空调风摆上。 混合式步进电机(HB) 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点，它又分为两相和五相混合式，三相混合式，四相混合式。两相、四相步距角一般为1.8度，具有体积小，大力矩低噪音的特点。 五相步距角一般为0.72度，步距角小，分辨率高，这种步进电机的应用最为

4、广泛。三相混合式步进电机步距角为1.2度。,2、步进马达定义、结构,2、步进马达定义、结构,3）步进电机的结构 （1）反应式步进电机(VR) VR型步进电机的构造，如图1所示，转子是利用转子的突极吸引所发生的转力，因而VR型在无激磁的时候，并不发生保持转矩。,接下来，简单介绍一下三种步进电机的内部结构,2、步进马达定义、结构,3）步进电机的结构 （2）永磁式步进电机(PM) PM型步进电机的原理构造如图2所示，转子是永久磁铁所构成，更进一步的往这个周围配置了复数个的固定子。 在图2上，转子磁铁为N、S一对，而它的固定子线圈由4个构成，这些因为和步进角有直接,关系，所以如需要较微细的步进角时，转

5、子磁铁的极数和发生驱动力的固定子线圈的数不能不对应的增加。图2的构造其步进角为90。,2、步进马达定义、结构,3）步进电机的结构 （3）混合型步进电机（HB- hybrid type ） 混合型步进电机，是由固定子磁(齿)极以及和它对向的转子磁极所构成的，更近一步的它的转子由极顶端呈齿轮状且在同方向被磁化的永久磁铁所组合而成，另外在构造上比前面的PM型以及VR型更复杂，基本上是可以考虑由VR型和PM型一体化的构造。 混合型步进电机有混合型的意思存在，这个刚好是VR型和PM型两者组合的情况，所以就有如此的称呼。一般上混合型因具有高精度、高转矩、微小步距角和数个优异的特征，所以刚开始在OA关系，其

6、它的分类上也大幅的被使用，特别是在生产量上大半是使用在盘片记忆关系的磁头转送上。还有，在步进角上有0.9、1.8，其它的3.6也有，比起其它类型的电机而言，具有极细的步进角。,2、步进马达定义、结构,3）步进电机的结构,（3）混合型步进电机（HB） 图3为混合型步进电机的构造图。在定子上侧有8个激磁线圈，在磁极的先端上有复数的小齿极(齿轮状突极) 。,3、步进马达工作原理,上面介绍了步进电机的定义及结构，接下来我们介绍步进电机的工作原理。由前面的介绍我们知道：步进电机主要由两部分构成：定子和转子。定子和转子均由磁性材料构成，以三相为例其定子和转子上分别有六个、四个磁极 。（如下图所示） 注意：

7、这里的相和交流电中的“相”的概念不同。步进电机通的是直流电脉冲，因此这里的“相”主要是指线圈的联接和组数的区别。,当A 相通电时，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，吸引转子旋转，力图使通电相磁路的磁阻最小，当转子、定子的齿对齐时，磁阻最小，则转子停止转动。 A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。,3、步进马达工作原理,B相通电，同A相通电原理一样，在磁场的作用下转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电时位置转了30度。,C相通电，同A相通电原理一样， 在磁场的作用下转子1、3齿和C相 轴线对齐，相对B相通电时位置转 了30度。,

8、3、步进马达工作原理,步进电动机工作方式 (以三相步进电机为例)步进电机的工作方式 可分为：三相单三拍、三相六拍、三相双三拍等。三相绕组中的通电顺序为：,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。 以上说明可以总结出步进电动机的共有特点： (1)来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。（延长脉冲周期，即减小频率-减小转速） (3)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。 另外若改变脉冲顺序，也可改变马达旋转方向。,3、步进马达工作原理,步进电机ABC3相未通电状态,步进电机通电旋转一周演示1

9、,步进电机三相未通电状态,3、步进马达工作原理,步进电机B相未通电状态,步进电机通电旋转一周演示2,3、步进马达工作原理,步进电机C相未通电状态,步进电机通电旋转一周演示3,3、步进马达工作原理,步进电机A相未通电状态,步进电机通电旋转一周演示4,3、步进马达工作原理,步进电机B相未通电状态,步进电机通电旋转一周演示5,3、步进马达工作原理,步进电机C相未通电状态,步进电机通电旋转一周演示6,3、步进马达工作原理,步进电机A相未通电状态,步进电机通电旋转一周演示7,3、步进马达工作原理,步进电机B相未通电状态,步进电机通电旋转一周演示8,3、步进马达工作原理,步进电机C相未通电状态,步进电机通

10、电旋转一周演示9,3、步进马达工作原理,步进电机A相未通电状态,步进电机通电旋转一周演示10,3、步进马达工作原理,步进电机B相未通电状态,步进电机通电旋转一周演示11,3、步进马达工作原理,步进电机C相未通电状态,步进电机通电旋转一周演示12,3、步进马达工作原理,步进电机A相未通电状态,步进电机通电旋转一周演示13,4、步进马达基本参数和特性,4-1步进电机的静态指标术语,（1）相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示 （2）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

11、-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。 （3）步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。 =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=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。 若以上面我们刚刚了解的步进电机为例：定子是3相，转子为4极（4齿），以3相单三拍运行，步距角=360度/（4*3）=30度。,4、步进马达基本参数和特性,4-1步进电机的静态指标术语,（4）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

12、形的谐波以及机械误差造成的） （5）静转矩：又叫保持转矩，指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。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。,4、步进马达基本参数和特性,4-2步进电机的动态指标术语,（1）步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。 （2）失步：电机运转时

13、运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 （3）失调角： 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 （4）最大空载起动频率： 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。如果启动脉冲频率高于该值，电机则不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速） 。,4、步进马达基本参数和特性,4-2步进电机的动态指标术语,（6）运行矩频特性： 电机在某种测试条件

14、下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。,（5）最大空载的运行频率： 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。,步进电机的力矩会随转速的升高而下降 。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。,步进马达名词解释.doc保持转矩 最大启动转矩 脱出转矩 引入转矩 最大自启动频率 最大响应频率,4、步进马达基本参数和特性,4-2步进电机的动态指标术语,（7）失速：是指当电机转子的旋转速度无法

15、跟上定子激磁速度时，造成电机转子停止转动。电机失速的现象各种电机都有发生的可能，在一般的电机应用上，发生失速时往往会造成绕组线圈烧毁的后果，不过步进电机发生失速时只会造成电机静止，线圈虽然仍在激磁中，但由于是脉冲信号，因此不会烧毁线圈。 （8）电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出转矩大，且不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。,4、步进马达基本参数和特性,4-3

16、步进电机的优点和缺点,优点： 1.电机旋转的角度正比于脉冲数； 2.电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）； 3.由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性； 4.优秀的起停和反转响应； 5.由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命。 6.电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本。 7.仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。 8.由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围,4、步进马达基本参数和特性,4-3步进电机的优点和缺点,缺点：

17、 1.如果控制不当容易产生共振； 2.难以运转到较高的转速。最高工作转速一般在300600RPM。,步进电机的选择: 步进电机有步距角、静转矩及转动惯量三大要素组成。一 旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。 1、步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨 率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包 括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步 进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8 度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。 2、依据使用场合计算负荷转动惯量，选择步进电机时，应大于计算值的1.3倍以

18、上。,5、步进马达及控制器的选择,步进电机的选择: 3、步进电机的力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分 为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负 载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考 虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦 负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩 一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来。 依据上面的三要素选择步进电机时，还要考虑到所搭配的 减速机，使用减速机可达到减速、高转矩、高解析度、降低施 加于马达轴侧的负载转动惯量、改善启动于停止时的阻尼特 性，进而可降低运转时的震动强度。 下页是固若金步进马达的参

19、数表,5、步进马达及控制器的选择,5、步进马达及控制器的选择,5、步进马达及控制器的选择,步进电机控制器的选择 根据步进电机驱动器的工作模式选择 步进电机驱动器模式基本有三种：整步、半步、细分。其主 要区别在于电机线圈电流的控制精度（即激磁方式）。 整步驱动：同一种步进电机既可以配整/半步驱动器也可以配 细分驱动器，但运行效果不同。步进电机驱动器按脉冲/方向信号 对步进电机的线圈循环激磁（即将线圈充电设定电流），这种驱动 方式的每个脉冲将使电机移动一个基本步距角。 半步驱动：在单相激磁时，电机转子停至整步位置上，驱动器 收到下一个脉冲后，如给另一相激磁且保持原来相继处在激磁状 态，则电机转子将

20、移动半个步距角，停在相临两个整步位置的中间。 如此循环的对相邻的两个线圈进行先单相然后双相激磁，步进电机 将会以每个脉冲半个步距角的半步方式转动。,5、步进马达及控制器的选择,步进电机控制器的选择 细分驱动：细分驱动模式具有低速震动极小和定位精度高两 大优点。可运用在有时低速运行或定位精度要求小于0.9度的步进 电机应用方案中。其基本原理是对电机的两个邻近线圈分别按正 弦和余弦形的台阶进行精密电流控制，从而使得一个步距角的距 离分成若干个细分步完成。 举例:若以标准的两相步进电机的一圈共有200个步距角来衡 量，即步距角为360度/200=1.8度。,整步,半步,N细分,5、步进马达及控制器的

21、选择,其他参数，详见对应的参数表，这里不再累述。,经过前面的介绍，我们对步进电机有了一个初步的认识，接 下来介绍一个步进电机通过PLC控制的例子。 下图是一个通过步进马达控制的工件工作台。滚珠丝杆的螺 距5MM，减速机的齿轮比是20：1，要求控制精度为0.01MM。 控制要求：可以寸动前进、后退，可以做原点复归、可以做自动 定位。 （经转算到步进马达侧，即要求步距角在14.4度以下即可满足精度要求）,6、步进马达使用实例,1、步进马达选 用上海固若金 步进马达 85BYGH250C， 可以满足要求。 查阅此马达相 应的技术参数 选其相对应的 驱动器,6、步进马达使用实例,2、查表后选择此马达的

22、驱动器为2HB808MA 3、PLC选用三菱FX1N-14MT（8点输入6点输出）。 4、IO列表如下：,6、步进马达使用实例,X0:前进极限 X1:原点 X2:后退极限 X3:JOG前进 X4:JOG后退 X5:紧急停止 X6:原点复归 X7:定位启动,Y0:脉冲输出（PUL） Y1:方向控制（DIR） Y2:使能端 （ENA）,6、步进马达使用实例,5、硬件接线图,6、软件设计 三菱FX系列PLC的编程指令中有专门针对控制步进电机使用的定 位指令。这些指令用于执行可编程控制器内置式脉冲输出功能。 现在把这些指令归结如下： 1)附带方向的变速脉冲输出【PLSV】 用途：作为控制步进电机寸动前

23、进、后退的指令,6、步进马达使用实例,2）原点复归【ZRN】 用途：作为控制步进电机做原点复归的指令,6、步进马达使用实例,6、软件设计 3)相对位置控制【DRVI】 用途：控制步进电机做相对位置移动的定位指令,4)绝对位置控制【DRVA】 用途：控制步进电机做绝对位置移动的定位指令,相对位置控制：指定附带+/-符号的由当前位置开始的移动距离方式,绝对位置控制：指定由原点(0点)开始的移动距离方式,6、步进马达使用实例,6、软件设计 5)附带说明 三菱FX系列PLC里,一些特殊寄存器的使用 D8140(低位)D8142(高位)作为Y0的输出定位指令的当前值数据寄存器使用。 D8145:作为执行

24、定位指令时的最低速度设定。 D8146/D8147:作为执行定位指令时的最高速度设定。（100KHZ） D8148：作为执行定位指令时，加减速时间设定。（50-5000MS） M8145作为Y0脉冲输出停止使用。 对于另一个脉冲输出端口Y1相对应的特殊寄存器的使用，请根 据兴趣自己去查找，这里不在累述。,7、步进马达与伺服马达的性能区别,一、控制精度不同 步进电机：两相混合式步进电机步距角一般为3.6、 1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小 ，例如德国的百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角 可通过驱动器细

25、分到0.036 ，但是既然存在着步距角，那么就可肯定存在着误差。 伺服电机：伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。 二、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工

26、作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。,三、矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM 。 伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率

27、输出。,四、过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。 伺服电机具有较强的过载能力。,五、运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。 伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。,7、步进马达与伺服马达的性能区别,五、速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。 交流伺服系统的加速性能较好，可用于要求快速启停的控制场合。 综上所

28、述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。 所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。,7、步进马达与伺服马达的性能区别,8、步进马达使用时的几点疑问,1、步进电机在高速状态无法启动,并伴有啸叫声? 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到

29、高速）。此外，产生啸叫声还可能是由于负载过大造成的，高速运转时电机的输出扭矩下降，无法满足负载要求时电机发生堵转，并且啸叫声会随着频率的高低变化而变化，解决办法是降低转速或更换扭矩更大的电机。 2、步进电机的外表温度允许达到多少? 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。,8、步进马达使用时的几点疑问,3、什么是驱动器的细分？ 首先要弄清什么是“步距角”，通俗说就是控制系统每发一

30、个步进脉冲信号，电机所转动的角度，一般两相步进电机的步距角是0.9/1.8（表示半步工作时为0.9、整步工作时为1.8），这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关，比如4细分时，步距角就是0.45。n细分时步距角就是1.8/n。 4、什么是静态电流（即停机自动半流）？ 驱动器在步进脉冲信号停止施加时，会自动进入半电流状态，这时电机相电流为运行时的一半，以减小功耗和保护电机。 5、怎样改变电机转动的方向？ 可以通过两种方式： A、通过控制信号来改变转动方向，驱动器的方向信号接口（各驱动器厂家不一样，有DIR或者U/D），通过高低电平信号来控制方向。 B、A+、A-互调，可更改一次电机运转方向，或者B+、B-互调，可更改一次电机运转方向。,