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如何避免步進(jìn)電機(jī)的失步?淺談防止如何步進(jìn)電機(jī)失步的方法
2024-03-11

步進(jìn)電機(jī)   步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī),是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件,應(yīng)用極為廣泛。在非超載的情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化的影響,當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度,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^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。      步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī),它的工作原理是利用電子電路,將直流電變成分時供電的,多相時序控制電流,用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電,步進(jìn)電機(jī)才能正常工作,驅(qū)動器就是為步進(jìn)電機(jī)分時供電的,多相時序控制器。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用,但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī),交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事,它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計算機(jī)等許多專業(yè)知識。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)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增,在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。   主要分類   步進(jìn)電機(jī)從其結(jié)構(gòu)形式上可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(Variable Reluctance,VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)Permanent Magnet,PM)、混合式步進(jìn)電機(jī)(Hybrid Stepping,HS)、單相步進(jìn)電機(jī)、平面步進(jìn)電機(jī)等多種類型,在我國所采用的步進(jìn)電機(jī)中以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為主。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能與控制方式有密切的關(guān)系,步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)從其控制方式來看,可以分為以下三類:開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中一般歸類于開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)中。   反應(yīng)式:定子上有繞組、轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成。結(jié)構(gòu)簡單、成本低、步距角小,可達(dá)1.2°、但動態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大,可靠性難保證。   永磁式:永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成,轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點(diǎn)是動態(tài)性能好、輸出力矩大,但這種電機(jī)精度差,步矩角大(一般為7.5°或15°)。   混合式:混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn),其定子上有多相繞組、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料,轉(zhuǎn)子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動態(tài)性能好,步距角小,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對較高。   按定子上繞組來分,共有二相、三相和五相等系列。最受歡迎的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī),約占97%以上的市場份額,其原因是性價比高,配上細(xì)分驅(qū)動器后效果良好。該種電機(jī)的基本步距角為1.8°/步,配上半步驅(qū)動器后,步距角減少為0.9°,配上細(xì)分驅(qū)動器后其步距角可細(xì)分達(dá)256倍(0.007°/微步)。由于摩擦力和制造精度等原因,實際控制精度略低。同一步進(jìn)電機(jī)可配不同細(xì)分的驅(qū)動器以改變精度和效果。   選擇方法   步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動器的選擇方法:   判斷需多大力矩:靜扭矩是選擇步   進(jìn)電機(jī)的主要參數(shù)之一。負(fù)載大時,需采用大力矩電機(jī)。力矩指標(biāo)大時,電機(jī)外形也大。   判斷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度:轉(zhuǎn)速要求高時,應(yīng)選相電流較大、電感較小的電機(jī),以增加功率輸入。且在選擇驅(qū)動器時采用較高供電電壓。   選擇電機(jī)的安裝規(guī)格:如57、86、110等,主要與力矩要求有關(guān)。   確定定位精度和振動方面的要求情況:判斷是否需細(xì)分,需多少細(xì)分。   根據(jù)電機(jī)的電流、細(xì)分和供電電壓選擇驅(qū)動器。   基本原理   工作原理   通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體,當(dāng)電流流過定子繞組時,定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度,使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖,電動機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序,電機(jī)就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。   發(fā)熱原理   通常見到的各類電機(jī),內(nèi)部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻,通電會產(chǎn)生損耗,損耗大小與電阻和電流的平方成正比,這就是我們常說的銅損,如果電流不是標(biāo)準(zhǔn)的直流或正弦波,還會產(chǎn)生諧波損耗;鐵心有磁滯渦流效應(yīng),在交變磁場中也會產(chǎn)生損耗,其大小與材料,電流,頻率,電壓有關(guān),這叫鐵損。銅損和鐵損都會以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來,從而影響電機(jī)的效率。步進(jìn)電機(jī)一般追求定位精度和力矩輸出,效率比較低,電流一般比較大,且諧波成分高,電流交變的頻率也隨轉(zhuǎn)速而變化,因而步進(jìn)電機(jī)普遍存在發(fā)熱情況,且情況比一般交流電機(jī)嚴(yán)重。   主要構(gòu)造   步進(jìn)電機(jī)也叫步進(jìn)器,它利用電磁學(xué)原理,將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,   人們早在20世紀(jì)20年代就開始使用這種電機(jī)。隨著嵌入式系統(tǒng)(例如打印機(jī)、磁盤驅(qū)動器、玩具、雨刷、震動尋呼機(jī)、機(jī)械手臂和錄像機(jī)等)的日益流行,步進(jìn)電機(jī)的使用也開始暴增。不論在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、汽車還是娛樂業(yè)中,只要需要把某件物體從一個位置移動到另一個位置,步進(jìn)電機(jī)就一定能派上用場。步進(jìn)電機(jī)有許多種形狀和尺寸,但不論形狀和尺寸如何,它們都可以歸為兩類:可變磁阻步進(jìn)電機(jī)和永磁步進(jìn)電機(jī)。   步進(jìn)電機(jī)是由一組纏繞在電機(jī)固定部件--定子齒槽上的線圈驅(qū)動的。通常情況下,一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管,而在電機(jī)中,繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。   步進(jìn)電機(jī)加減速過程控制技術(shù)   正因為步進(jìn)電機(jī)的廣泛應(yīng)用,對步進(jìn)電機(jī)的控制的研究也越來越多,在啟動或加速時如果步進(jìn)脈沖變化太快,轉(zhuǎn)子由于慣性而跟隨不上電信號的變化,產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)或失步在停止或減速時由于同樣原因則可能產(chǎn)生超步。為防止堵轉(zhuǎn)、失步和超步,提高工作頻率,要對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行升降速控制。   步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)。其角速度與脈沖頻率成正比,而且在時間上與脈沖同步。因而在轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運(yùn)行拍數(shù)一定的情況下,只要控制脈沖頻率即可獲得所需速度。由于步進(jìn)電機(jī)是借助它的同步力矩而啟動的,為了不發(fā)生失步,啟動頻率是不高的。特別是隨著功率的增加,轉(zhuǎn)子直徑增大,慣量增大,啟動頻率和最高運(yùn)行頻率可能相差十倍之多。   步進(jìn)電機(jī)的起動頻率特性使步進(jìn)電機(jī)啟動時不能直接達(dá)到運(yùn)行頻率,而要有一個啟動過程,即從一個低的轉(zhuǎn)速逐漸升速到運(yùn)行轉(zhuǎn)速。停止時運(yùn)行頻率不能立即降為零,而要有一個高速逐漸降速到零的過程。   步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨著脈沖頻率的上升而下降,啟動頻率越高,啟動力矩就越小,帶動負(fù)載的能力越差,啟動時會造成失步,而在停止時又會發(fā)生過沖。要使步進(jìn)電機(jī)快速的達(dá)到所要求的速度又不失步或過沖,其關(guān)鍵在于使加速過程中,加速度所要求的力矩既能充分利用各個運(yùn)行頻率下步進(jìn)電機(jī)所提供的力矩,又不能超過這個力矩。因此,步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行一般要經(jīng)過加速、勻速、減速三個階段,要求加減速過程時間盡量的短,恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中,從起點(diǎn)到終點(diǎn)運(yùn)行的時間要求最短,這就必須要求加速、減速的過程最短,而恒速時的速度最高。   國內(nèi)外的科技工作者對步進(jìn)電機(jī)的速度控制技術(shù)進(jìn)行了大量的研究,建立了多種加減速控制數(shù)學(xué)模型,如指數(shù)模型、線性模型等,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)了多種控制電路,改善了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動特性,推廣了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍指數(shù)加減速考慮了步進(jìn)電機(jī)固有的矩頻特性,既能保證步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)動中不失步,又充分發(fā)揮了電機(jī)的固有特性,縮短了升降速時間,但因電機(jī)負(fù)載的變化,很難實現(xiàn)而線性加減速僅考慮電機(jī)在負(fù)載能力范圍的角速度與脈沖成正比這一關(guān)系,不因電源電壓、負(fù)載環(huán)境的波動而變化的特性,這種升速方法的加速度是恒定的,其缺點(diǎn)是未充分考慮步進(jìn)電機(jī)輸出力矩隨速度變化的特性,步進(jìn)電機(jī)在高速時會發(fā)生失步。   步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動控制   步進(jìn)電機(jī)由于受到自身制造工藝的限制,如步距角的大小由轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運(yùn)行拍數(shù)決定,但轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運(yùn)行拍數(shù)是有限的,因此步進(jìn)電機(jī)的步距角一般較大并且是固定的,步進(jìn)的分辨率低、缺乏靈活性、在低頻運(yùn)行時振動,噪音比其他微電機(jī)都高,使物理裝置容易疲勞或損壞。這些缺點(diǎn)使步進(jìn)電機(jī)只能應(yīng)用在一些要求較低的場合,對要求較高的場合,只能采取閉環(huán)控制,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性,這些缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了步進(jìn)電機(jī)作為優(yōu)良的開環(huán)控制組件的有效利用。細(xì)分驅(qū)動技術(shù)在一定程度上有效地克服了這些缺點(diǎn)。   步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)是年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進(jìn)電機(jī)綜合使用性能的驅(qū)動技術(shù)。年美國學(xué)者、首次在美國增量運(yùn)動控制系統(tǒng)及器件年會上提出步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分的控制方法。在其后的二十多年里,步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動得到了很大的發(fā)展。逐步發(fā)展到上世紀(jì)九十年代完全成熟的。我國對細(xì)分驅(qū)動技術(shù)的研究,起步時間與國外相差無幾。   在九十年代中期的到了較大的發(fā)展。主要應(yīng)用在工業(yè)、航天、機(jī)器人、精密測量等領(lǐng)域,如跟蹤衛(wèi)星用光電經(jīng)緯儀、軍用儀器、通訊和雷達(dá)等設(shè)備,細(xì)分驅(qū)動技術(shù)的廣泛應(yīng)用,使得電機(jī)的相數(shù)不受步距角的限制,為產(chǎn)品設(shè)計帶來了方便。目前在步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動技術(shù)上,采用斬波恒流驅(qū)動,儀脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動、電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動控制止,,幾大大提高步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行運(yùn)轉(zhuǎn)精度,使步進(jìn)電機(jī)在中、小功率應(yīng)用領(lǐng)域向高速且精密化的方向發(fā)展。   最初,對步進(jìn)電機(jī)相電流的控制是由硬件來實現(xiàn)的,通常采用兩種方法,采用多路功率開關(guān)電流供電,在繞組上進(jìn)行電流疊加,這種方法使功率管損耗少,但由于路數(shù)多,所以器件多,體積大。   先對脈沖信號疊加,再經(jīng)功率管線性放大,獲得階梯形電流,優(yōu)點(diǎn)是所用器件少,但功率管功耗大,系統(tǒng)功率低,如果管子工作在非線性區(qū)會引起失真、由于本身不可克服的缺點(diǎn),因此目前已很少采用這兩類方法。   如何避免步進(jìn)電機(jī)的失步   步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)。在未發(fā)生失步情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)并不受負(fù)載變化的影響,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到一個脈沖信號時,電機(jī)就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)一個固定的角度(步進(jìn)角或步距角),通過控制脈沖數(shù)和脈沖頻率來控制電機(jī)角位移量及電機(jī)轉(zhuǎn)速從而達(dá)到精確的開環(huán)控制。另外,步進(jìn)電機(jī)每走一步所轉(zhuǎn)過的角度與理論步距之間總有一定的誤差,從某一步到任何一步,也總有一定的誤差,但是,步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同,在不失步的情況下,其步距誤差不會長期累積。      上面提到的都是在不失步的情況,如何才能避免失步呢?首先我們需要知道造成電機(jī)失步的因素:   1、轉(zhuǎn)子加速度慢于步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場;   2、轉(zhuǎn)子的平均速度高于定子磁場的平均旋轉(zhuǎn)速度;   3、電機(jī)負(fù)載慣性較大;   4、步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生共振。   轉(zhuǎn)子加速度慢于步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場即轉(zhuǎn)子速度低于換相速度時,電機(jī)會產(chǎn)生失步,這是因為輸入電機(jī)的電能不足,產(chǎn)生的力矩?zé)o法使轉(zhuǎn)子速度跟上定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度,從而引起失步。轉(zhuǎn)子平均速度高于定子磁場平均旋轉(zhuǎn)速度,這是定子通電勵磁的時間較長,大于步進(jìn)所需的時間,轉(zhuǎn)子在步進(jìn)過程中獲得過多的能量,導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩過大從而引起電機(jī)越步。      以上導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失步的原因?qū)嵸|(zhì)是步進(jìn)驅(qū)動器選擇不當(dāng)而導(dǎo)致,只有選擇正確合適的步進(jìn)驅(qū)動器才能使步進(jìn)電機(jī)發(fā)揮其控制精確的優(yōu)勢。選擇合適的驅(qū)動器需要根據(jù)電機(jī)的電流,配用大于或等于此電流的驅(qū)動器。如果需要低振動或高精度時,可配用細(xì)分型驅(qū)動器。對于大轉(zhuǎn)矩電機(jī),盡可能用高電壓型驅(qū)動器,以獲得良好的高速性能。同時對于驅(qū)動電源,很多人直接使用開關(guān)電源作為驅(qū)動電源,但是,一般最好不要使用開關(guān)電源,特別是大力矩電機(jī),除非選用比需要的功率大一倍以上的開關(guān)電源。因為,電機(jī)工作時是大電感型負(fù)載,會對電源端形成瞬間的高壓。而開關(guān)電源的過載性能不好,會保護(hù)關(guān)斷,且其精密的穩(wěn)壓性能又不需要,有時可能造成開關(guān)電源和驅(qū)動器的損壞。對于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源,可以用常規(guī)的環(huán)形或R 型變壓器變壓的直流電源。      步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生共振是因為電機(jī)接收的脈沖頻率等于步進(jìn)電機(jī)的固有頻率,該頻率與驅(qū)動器的細(xì)分有關(guān)系。我們一般使用步進(jìn)電機(jī)時,驅(qū)動器的細(xì)分能力很重要,共振范圍越小越好。對于電機(jī)負(fù)載慣性較大是由于電機(jī)超載而引起,因此在使用時只需注意不要讓電機(jī)過載即可避免。     

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