电机与驱动技术资料.docx

资源描述

电机与驱动技术资料.docx

《电机与驱动技术资料.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机与驱动技术资料.docx（61页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

电机与驱动技术资料.docx

电机与驱动技术资料

步进电机选型的五大步骤

文/广州麦伺-肖梅

第一步：

步进电机的保持转矩，相当于传统电机所说的“功率”。

当然，他们有着本质的区别。

步进电机的物理结构，完全不同于普通的交、直流电机，它的输出功率是可变的。

通常根据需要的转矩大小，来选择哪种型号的步进电机。

大致来说，扭力在0.8n.m以下的，一般选择28、35、39、42;扭力在1N.m左右的，选择57电机较为合适。

扭力在几N.m或更大的情况下，就应当选择转矩更大的75、85、86、90、110、130等规格的步进电机。

同时，我们还应考虑电机的转速。

因为，电机的输出转矩，与转速成反比关系。

就是说，步进电机在低速（每分钟几百转或更低转速，其输出转矩较大），在高速旋转状态的转矩就很小了。

当然，有些工作环境需要高速电机，就要对步进电机的线圈电阻、电感等指标进行综合权衡。

选择电感稍小一些的电机，作为高速电机，能够获得较大输出转矩。

反之，要求低速大力矩的情况下，就要选择电感在十几或几十mH,电阻也要大一些为好。

第二步：

步进电机空载启动频率，一般称为“空起频率”。

这是选购步进电机很重要的一项指标。

如果要求在瞬间频繁启动、停止，并且，转速在1000转/分钟左右或更高。

最好选择反应式或永磁式步进电机，这些电机的“空起频率”都比较高。

第三步：

步进电机的相数选择，这项内容，很多客户几乎没有什么重视，大多是随便购买。

其实，不同相数的电机，工作效果是不同的。

相数越多，步距角就能够做的比较小，工作时的振动就相对小一些。

大多数场合，使用两相、三相、五相混合式步进电机的比较多。

在高速大力矩的工作环境，选择三相步进电机是很实用的。

第四步：

防水防腐型步进电机能够防水、防油，适用于某些特殊场合。

例如水下机器人，就需要放水电机。

75BYG系列步进电机大多具有防水结构。

对于特种用途的电机，就要针对性选择了。

第五步：

特殊规格的步进电机，通常需要和生产厂家沟通，在技术允许的范围内，加工订做。

例如，出轴的直径、长短、伸出方向等。

步进电机发展展望及常见问题答疑

一、步进电机现状及发展前景：

随着改革开放不断加大及WTO的影响，近三十年尤其是加入WTO的近十年，我国微电机的市场一直吸引着国内外电工电器企业的青睐。

包括德国汉德保电机，日本三洋电机，日本松下电器以及国内的一些中小型企业。

但是国内品牌起步较晚，相比国际品牌还是有不小的差距。

目前，工业用微型电流电机，国际品牌如汉德保电机，三洋电机等可以做到2000小时以上的使用寿命，而国内的平均水平只有1000小时，主要原因有：

产品工艺、产品材料以及电机结构等。

国际品牌无刷直流电机的效率可以做到80%以上，国内生厂厂家只能达到65%左右。

而国际品牌的步进电机早已发展为高性能的混合式结构的步进电机，相比国内的混合式步进电机九十年代才起步，性能上还存在较大差异。

由于国内生产设备、电子技术相对比较落后，资金投入不足和人才方面的稀缺，在高性能、高品质的电机方面，如五相混合式步进电机、无刷电流电机，交流伺服电机，直线电机等方面的差距显得更大一些。

二、步进电机的应用及答疑

目前，相比伺服电机、无刷电机而言，国内使用步进电机的企业更多一些，步进电机的技术也更加成熟一些、需求也更大一些，下面主要来看看步进电机的一些基本问题。

1、步进电机的定义？

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

通俗一点讲：

当步进电机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（及步进角）。

您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；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到对电机调速的目的。

2、步进电机的种类？

步进电机分三种：

永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）

永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。

在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。

它又分为两相和五相：

两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。

这种步进电机的应用最为广泛。

3.保持转矩（HOLDINGTORQUE）指的是什么?

保持转矩（HOLDINGTORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。

它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。

由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。

比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

4.DETENTTORQUE指的是什么?

DETENTTORQUE是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。

DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENTTORQUE。

5.步进电机的精度？

步进电机的精度通常为步进角的3-5%，且不累积。

6.步进电机的外表温度的极限值是多少?

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的极限值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。

步进电机应用于自动机械、游戏机及医疗机械等场合

应用于自动机械

1、XY台（X-Y）

自动机械的应用有XY台或XY-∂台（驱动机构一般使用滚珠丝杠）。

滚珠丝杠变旋转运动为直线运动，使用滚珠丝杠传输效率高，转矩为螺杆的1/3。

步进电机一般使用两相或五相的HB型步进电机。

机器人

机器人在生产中用于担任简单的动作，如人一样能识别各种信号。

使用直流伺服电机可以快速驱动。

用步进电机驱动轻载，可完成人手指的抓取功能。

步进电机低速驱动时比直流电机输出转矩大，可开环控制，不需要传感器，电机体积小，今后有希望广泛使用。

在应用步进电机的机器人中，步进电机与减速器一起使用的情形很多。

驱动低速大转矩负载时，常使用谐波减速器。

生产线上使用了大量的简单结构的机器人，如拧螺钉机器人、搬运机器人、测量机器人等，使装配线自动、省力。

应用于游戏机

游戏机有许多种，步进电机常用于老虎机等数字滚筒的驱动。

滚筒驱动使用HB型步进电机，如图1所示。

起动时滚轮的惯量变为负载，低速运行时转动如不均匀会不好看，所以要使用低速转速、波动小的步进电机，为此可选用小步距角的HB型步进电机。

目前游戏机大多采用三相低速步进电机。

步进电机应用于自动机械

图1游戏机数字圆筒位置定位使用的步进电机

应用于医疗机械

医院内的医疗器械离患者最近，需要使用振动小、噪音低的步进电机。

液体定量传输和传输量管理要使用高精度的输液泵驱动仪器和各种分析仪器等，定量输液采用步进电机非常合适。

透析设备或注射泵等由于靠近患者，大多使用振动噪音小的三相RM型步进电机或HB型步进电机。

注射泵采用步进电机的原因是与无刷电机相比能得到低速大转矩。

图2为内置三相步进电机的注射泵的外观。

步进电机应用于自动机械

图2内置三相步进电机的注射泵的外观

今后，能代替人完成治疗任务的，动作准确和静音度高的、使用电机的医疗设备会越来越多应用于临床。

这些设备将来会使用更多定位精度高的、易于速度开环和闭环控制的步进电机。

步进电机常见的一些参数

步进电机的相数：

是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。

电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。

在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。

如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

电机固有步距角：

它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。

电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为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。

保持转矩（HOLDING TORQUE）：

是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。

它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。

由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。

比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

DETENT TORQUE：

是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。

DETENT TORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENTTORQUE。

如何尽量减小步进电机发热

步进电机作为一种数字式执行元件，在运动控制系统中得到广泛的应用。

许多用户朋友在使用步进电机的时候，感觉电机工作时有较大的发热，心存疑虑，不知这种现象是否正常。

实际上发热是步进电机的一个普遍现象，但怎样的发热程度才算正常，以及如何尽量减小步进电机发热呢?

　　首先，要了解步进电机为什么会发热

　　对于各种步进电机而言，内部都是由铁芯和绕组线圈组成的。

绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗;铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。

铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。

步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。

　　再者，将步进电机发热控制在合理范围内

　　电机发热允许到什么程度，主要取决于电机内部绝缘等级。

内部绝缘性能在高温下（130度以上）才会被破坏。

所以只要内部不超过130度，电机便不会损坏，而这时表面温度会在90度以下。

所以，步进电机表面温度在70-80度都是正常的。

简单的温度测量方法有用点温计的，也可以粗略判断：

用手可以触摸1-2秒以上，不超过60度;用手只能碰一下，大约在70-80度;滴几滴水迅速气化，则90度以上了；当然也可以用测温枪来检测。

　　第三，步进电机发热随速度变化的情况

　　采用恒流驱动技术时，步进电机在静态和低速下，电流会维持相对恒定，以保持恒力矩输出。

速度高到一定程度，电机内部反电势升高，电流将逐步下降，力矩也会下降。

因此，因铜损带来的发热情况就与速度相关了。

静态和低速时一般发热高，高速时发热低。

但是铁损（虽然占的比例较小）变化的情况却不尽然，而电机整个的发热是二者之和，所以上述只是一般情况。

　　第四，发热带来的影响

　　电机发热虽然一般不会影响电机的寿命，对大多数客户来说没必要理会。

但是，严重的发热会带来一些负面影响。

如电机内部各部分热膨胀系数不同导致结构应力的变化和内部气隙的微小变化，会影响电机的动态响应，高速会容易失步。

又如有些场合不允许电机的过度发热，如医疗器械和高精度的测试设备等。

因此对电机的发热应当进行必要的控制。

　　最后，减少电机的发热

　　减少发热，就是减少铜损和铁损。

减少铜损有两个方向，减少电阻和电流，这就要求在选型时尽量选择电阻小和额定电流小的电机，对两相电机，能用串联的电机就不用并联电机。

但是这往往与力矩和高速的要求相抵触。

对于已经选定的电机，则应充分利用驱动器的自动半流控制功能和脱机功能，前者在电机处于静态时自动减少电流，后者干脆将电流切断。

另外，细分驱动器由于电流波形接近正弦，谐波少，电机发热也会较少。

减少铁损的办法不多，电压等级与之有关，高压驱动的电机虽然会带来高速特性的提升，但也带来发热的增加。

所以应当选择合适的驱动电压等级，兼顾高速性，平稳性和发热，噪音等指标。

步进电机和步进驱动器的基本知识

步进电机和步进驱动器的基本知识介绍

1、系统常识：

步进电机和步进电机驱动器构成步进电机驱动系统。

步进电机驱动系统的性能，不但取决于步进电机自身的性能，也取决于步进电机驱动器的优劣。

对步进电机驱动器的研究几乎是与步进电机的研究同步进行的。

2、系统概述：

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。

当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号（来自控制器），它就驱动步进电动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。

3、系统控制：

步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电机驱动器）。

控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的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。

4、用途：

步进电机是一种控制用的特种电机，作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，随着微电子和计算机技术的发展（步进电机驱动器性能提高），步进电机的需求量与日俱增。

步进电动机在运行中精度没有积累误差的特点，使其广泛应用于各种自动化控制系统，特别是开环控制系统。

5、步进电机按结构分类：

步进电机也叫脉冲电机，包括反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电动机（HB）等。

（1）反应式步进电机：

也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电机。

其定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。

一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消耗功率较大，电流最高可达20A，驱动电压较高）；步距角小（最小可做到10＇）；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长；启动和运行频率较高。

（2）永磁式步进电机：

通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。

一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于2A，驱动电压12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；断电时具有一定的保持转矩；启动和运行频率较低。

（3）混合式步进电机：

也叫永磁反应式、永磁感应式步进电机，混合了永磁式和反应式的优点。

其定子和四相反应式步进机没有区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同），转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和槽）。

一般为两相或四相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁式小（一般为1.8度）；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电机。

6、步进电机按工作方式分类：

可分为功率式和伺服式两种。

（1）功率式：

输出转矩较大，能直接带动较大负载（一般使用反应式、混合式步进电机）。

（2）伺服式：

输出转矩较小，只能带动较小负载（一般使用永磁式、混合式步进电动机）。

7、步进电机的选择：

（1）首先选择类型，其次是具体的品种与型号。

（2）反应式、永磁式和混合式三种步进电动机的性能指标、外形尺寸、安装方法、脉冲电源种类和控制电路等都不同，价格差异也很大，选择时应综合考虑。

（3）具有控制集成电路的步进电机应优先考虑。

8、步进电机的基本参数：

（1）电机固有步距角：

它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。

电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为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’，它不一定是电机工作时的实际步距角，实际步距角和驱动器有关。

（2）步进电机的相数：

是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。

电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。

步进电动机增加相数能提高性能，但步进电机的结构和驱动电源都会更复杂，成本也会增加。

（3）保持转矩（HOLDINGTORQUE）：

也叫最大静转矩，是在额定静态电流下施加在已通电的步进电动机转轴上而不产生连续旋转的最大转矩。

它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。

由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。

比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

（4）步距精度：

可以用定位误差来表示，也可以用步距角误差来表示。

（5）矩角特性：

步进电机的转子离开平衡位置后所具有的恢复转矩，随着转角的偏移而变化。

步进电动机静转矩与失调角的关系称为矩角特性。

（6）静态温升：

指电机静止不动时，按规定的运行方式中最多的相数通以额定静态电流，达到稳定的热平衡状态时的温升。

（7）动态温升：

电机在某一频率下空载运行，按规定的运行时间进行工作，运行时间结束后电机所达到的温升叫动态温升。

（8）转矩特性：

它表示电机转矩和单相通电时励磁电流的关系。

（9）启动矩频特性：

启动频率与负载转矩的关系称为启动矩频特性。

（10）运行矩频特性/惯频特性：

略

（11）升降频时间：

指电机从启动频率升到最高运行频率或从最高运行频率降到启动频率所需的时间。

（12）DETENTTORQUE：

是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。

DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易产生误解；反应式步进电动机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENTTORQUE。

9、步进电机的一些特点：

（1）步进电机没有积累误差：

一般步进电机的精度为实际步距角的3-5%，且不累积。

（2）步进电动机在工作时，脉冲信号按一定顺序轮流加到各相绕组上（由驱动器内的环形分配器控制绕组通断电的方式）。

（3）即使是同一台步进电机，在使用不同驱动方案时，其矩频特性也相差很大。

（4）步进电机与其它电机不同，其标称额定电压和额定电流只是参考值；又因为步进电动是以脉冲方式供电，电源电压是其最高电压，而不是平均电压，所以，步进电机可以超出其额定值范围工作。

但选择时不应偏离额定值太远。

（5）步进电机外表允许的最高温度：

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，所以步进电动机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

（6）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。

（7）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定频率就无法启动,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高速）。

（8）四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。

串联接法一般在电机转速较低的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍，因而电机发热较大。

（9）混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为12～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。

如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。

（10）供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。

如果采用线性电源，电源电流一般可取I的1.1～1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I的1.5～2.0倍。

（11）当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态

（脱机状态）。

在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。

手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。

（12）用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向，只需将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可。

10、步进电机驱动器的一些特点：

（1）构成步进电机驱动器系统的专用集成电路：

A脉冲分配器集成电路：

如三洋公司的PMM8713（三/四相）、PMM8723（四相）、PMM8714（五相）等。

B包含脉冲分配器和电流斩波的控制器集成电路：

如SGS公司的L297（四相）、L6506（四相）等。

C只含功率驱动（或包含电流控制、保护电路）的驱动器集成电路：

如日本新电元工业公司的MTD1110（四相斩波驱动）和MTD2001（两相、H桥、斩波驱动）。

D将脉冲分配器、功率驱动、电流控制和保护电路都包括在内的驱动控制器集成电路，如MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。

（2）“细分驱动”概述：

概念：

将“电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通过驱动器精确控制步进电动机的相电流实现的，与电机本身无关。

其原理是，让定子通电相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一次降为0（绕组电流波形不再是近似方波，而是N级近似阶梯波），则定子绕组电流所产生的磁场合力，会使转子有N个新的平衡位置（形成N个步距角）。