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        淺談步進(jìn)電機(jī)技術(shù)

        2012-12-31 00:00:00孫成印

        【摘 要】本文介紹了步進(jìn)電機(jī)電機(jī)的特點(diǎn)、選擇方法及對(duì)其常見(jiàn)問(wèn)題的分析。

        【關(guān)鍵詞】步進(jìn)電機(jī);特點(diǎn);選擇;常見(jiàn)問(wèn)題

        步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件,是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中,如:數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。 隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增,在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。

        步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”),它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的??梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī),利用其沒(méi)有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。

        現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM)、混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相,轉(zhuǎn)矩和體積較小,步進(jìn)角一般為7.5度 或15度;反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相,可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出,步進(jìn)角一般為1.5度,但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成,定子上有多相勵(lì)磁繞組,利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?;旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相:兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。

        1.步進(jìn)電機(jī)的一些特點(diǎn)

        (1)一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%,且不累積。

        (2)步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁,從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步,因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn);一般來(lái)講,磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上,有的甚至高達(dá)攝氏200度以上,所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

        (3)步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì);頻率越高,反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下,電機(jī)隨頻率(或速度)的增大而相電流減小,從而導(dǎo)致力矩下降。

        (4)步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù):空載啟動(dòng)頻率,即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率,如果脈沖頻率高于該值,電機(jī)不能正常啟動(dòng),可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下,啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng),脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程,即啟動(dòng)頻率較低,然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?/p>

        2.步進(jìn)電機(jī)的選擇

        選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí),首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí),首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩,電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過(guò)程中,各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說(shuō)最大靜力矩Mjmax大的電機(jī),負(fù)載力矩大。

        選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí),應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配,這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量,一是可以改變絲桿的導(dǎo)程,二是可以通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來(lái)完成。但細(xì)分只能改變其分辨率,不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。

        選擇功率步進(jìn)電機(jī)時(shí),應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動(dòng)頻率,使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量,使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機(jī)床快速移動(dòng)的需要。

        選擇步進(jìn)電機(jī)需要計(jì)算的內(nèi)容包括:

        (1)齒輪的減速比。

        (2)工作臺(tái),絲桿以及齒輪折算至電機(jī)軸上的慣量Jt。

        (3)電機(jī)輸出的總力矩M。

        (4)負(fù)載起動(dòng)頻率(估算)。

        (5)運(yùn)行的最高頻率與升速時(shí)間。

        (6)負(fù)載力矩和最大靜力矩Mmax。

        3.步進(jìn)電機(jī)的一些常見(jiàn)問(wèn)題

        3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的失步

        原因一:轉(zhuǎn)子的加速度慢于步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),也即是低于換相速度而產(chǎn)生的。這是因?yàn)檩斎腚姍C(jī)的電能不足,在步進(jìn)電機(jī)中產(chǎn)生的同步力矩?zé)o法令轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度,從而引起失步。并且凡是比這時(shí)頻率高的工作頻率都必將失步。這種失步說(shuō)明了步進(jìn)電機(jī)的拖動(dòng)能力不夠。一旦減少負(fù)載,或者提高繞組的激磁電流,則有可能克服失步。

        原因二:轉(zhuǎn)子的平均速度高于定子磁場(chǎng)的平均旋轉(zhuǎn)速度。這時(shí)定子通電激磁的時(shí)間較長(zhǎng),大于轉(zhuǎn)子步進(jìn)一步所需的時(shí)間,則轉(zhuǎn)子在步進(jìn)過(guò)程中獲得了過(guò)多的能量,從而產(chǎn)生前沖和后沖的擺動(dòng)振蕩。當(dāng)振蕩足夠嚴(yán)重時(shí)就導(dǎo)致失步。

        3.2如何讓電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩

        保持轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一,通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。

        由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減,輸出功率也隨速度的增大而變化,所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如,當(dāng)人們說(shuō)2N.m的步進(jìn)電機(jī),在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。

        3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)振蕩的原因

        原因一:振蕩是步進(jìn)電機(jī)在工作時(shí)存在的一般現(xiàn)象,但嚴(yán)重的振蕩會(huì)引起失步。振蕩的原因有多種,其中主要的原因有步進(jìn)電機(jī)處于低頻單步運(yùn)行;步進(jìn)電機(jī)的換相頻率和轉(zhuǎn)子的特征頻率、倍特征頻率、分?jǐn)?shù)特征頻率相等;步進(jìn)電機(jī)突然停車等情況。

        原因二:當(dāng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行單步旋轉(zhuǎn)時(shí),其工作頻率必定處于低頻區(qū)。在開(kāi)始工作時(shí),轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)力矩的作用下加速轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到新的平衡點(diǎn)時(shí)其速度仍然相當(dāng)高,從而沖過(guò)了平衡穩(wěn)定點(diǎn)產(chǎn)生過(guò)沖。車子一方面向前過(guò)沖,當(dāng)轉(zhuǎn)子速度減到為零時(shí),由于磁場(chǎng)拉力矩的作用則反向沖向平衡點(diǎn),又形成反向過(guò)沖。由于機(jī)械磨擦力矩及電磁力矩的作用。形成一個(gè)衰減振動(dòng)過(guò)程。最后,轉(zhuǎn)子則穩(wěn)定停在平衡點(diǎn)。

        實(shí)際應(yīng)用中對(duì)步進(jìn)電機(jī)有哪些要求:

        (1)步進(jìn)電機(jī)在電脈沖的控制下能迅速起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)及在很寬的范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

        (2)加工精度高,即要求一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的位移量小,并要準(zhǔn)確、均勻。這就要求步進(jìn)電機(jī)步距小,步距精度高,不得丟步或是過(guò)沖。

        (3)動(dòng)作快速。即不僅起動(dòng)、停步、反轉(zhuǎn)快,并能連續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

        (4)輸出轉(zhuǎn)矩大,可直接帶動(dòng)負(fù)載。

        步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn),在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高,步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。 [科]

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