工程師譚軍 發表於 2018-10-10 15:17:30
本文主要是關於雷賽步進電機的相關介紹，並著重對雷賽步進電機M542的接線圖進行了詳盡的闡述。
步進電機又稱為脈衝電機，基於最基本的電磁鐵原理，它是一種可以自由迴轉的電磁鐵，其動作原理是依靠氣隙磁導的變化來產生電磁轉矩。其原始模型是起源於年至年間。年前後開始以控制為目的的嘗試，應用於氫弧燈的電極輸送機構中。這被認為是最初的步進電機。二十世紀初，在電話自動交換機中廣泛使用了步進電機。由於西方資本主義列強爭奪殖民地，步進電機在缺乏交流電源的船舶和飛機等獨立系統中得到了廣泛的使用。二十世紀五十年代後期電晶體的發明也逐漸應用在步進電機上，對於數位化的控制變得更為容易。到了八十年代後，由於廉價的微型計算機以多功能的姿態出現，步進電機的控制方式更加靈活多樣。 ［1］
步進電機相對於其它控制用途電機的最大區別是，它接收數字控制信號電脈衝信號並轉化成與之相對應的角位移或直線位移，它本身就是一個完成數字模式轉化的執行元件。而且它可開環位置控制，輸入一個脈衝信號就得到一個規定的位置增量，這樣的所謂增量位置控制系統與傳統的直流控制系統相比，其成本明顯減低，幾乎不必進行系統調整。步進電機的角位移量與輸入的脈衝個數嚴格成正比，而且在時間上與脈衝同步。因而只要控制脈衝的數量、頻率和電機繞組的相序，即可獲得所需的轉角、速度和方向。 ［1］
我國的步進電機在二十世紀七十年代初開始起步，七十年代中期至八十年代中期為成品發展階段，新品種和高性能電機不斷開發，目前，隨著科學技術的發展，特別是永磁材料、半導體技術、計算機技術的發展，使步進電機在眾多領域得到了廣泛應用。
步進電機控制技術及發展概況
作為一種控制用的特種電機，步進電機無法直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅動電源步進電機驅動器。在微電子技術，特別計算機技術發展以前，控制器脈衝信號發生器完全由硬體實現，控制系統採用單獨的元件或者集成電路組成控制迴路，不僅調試安裝複雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之後，要改變控制方案就一定要重新設計電路。這就使得需要針對不同的電機開發不同的驅動器，開發難度和開發成本都很高，控制難度較大，限制了步進電機的推廣。 ［1］
由於步進電機是一個把電脈衝轉換成離散的機械運動的裝置，具有很好的數據控制特性，因此，計算機成為步進電機的理想驅動源，隨著微電子和計算機技術的發展，軟硬體結合的控制方式成為了主流，即通過程序產生控制脈衝，驅動硬體電路。單片機通過軟體來控制步進電機，更好地挖掘出了電機的潛力。因此，用單片機控制步進電機已經成為了一種必然的趨勢，也符合數位化的時代趨。 ［1］
主要分類
步進電機從其結構形式上可分為反應式步進電機（Variable Reluctance，VR）、永磁式步進電機Permanent Magnet，PM）、混合式步進電機（Hybrid Stepping，HS）、單相步進電機、平面步進電機等多種類型，在我國所採用的步進電機中以反應式步進電機為主。步進電機的運行性能與控制方式有密切的關係，步進電機控制系統從其控制方式來看，可以分為以下三類：開環控制系統、閉環控制系統、半閉環控制系統。半閉環控制系統在實際應用中一般歸類於開環或閉環系統中。 ［1］
反應式：定子上有繞組、轉子由軟磁材料組成。結構簡單、成本低、步距角小，可達1.2°、但動態性能差、效率低、發熱大，可靠性難保證。
永磁式：永磁式步進電機的轉子用永磁材料製成，轉子的極數與定子的極數相同。其特點是動態性能好、輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角大（一般為7.5°或15°）。
混合式：混合式步進電機綜合了反應式和永磁式的優點，其定子上有多相繞組、轉子上採用永磁材料，轉子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。其特點是輸出力矩大、動態性能好，步距角小，但結構複雜、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電機，約佔97%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細分驅動器後效果良好。該種電機的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅動器後，步距角減少為0.9°，配上細分驅動器後其步距角可細分達256倍（0.007°/微步）。由於摩擦力和製造精度等原因，實際控制精度略低。同一步進電機可配不同細分的驅動器以改變精度和效果。
選擇方法
步進電機和驅動器的選擇方法：
判斷需多大力矩：靜扭矩是選擇步
進電機的主要參數之一。負載大時，需採用大力矩電機。力矩指標大時，電機外形也大。
判斷電機運轉速度：轉速要求高時，應選相電流較大、電感較小的電機，以增加功率輸入。且在選擇驅動器時採用較高供電電壓。
選擇電機的安裝規格：如57、86、110等，主要與力矩要求有關。
確定定位精度和振動方面的要求情況：判斷是否需細分，需多少細分。
根據電機的電流、細分和供電電壓選擇驅動器。
基本原理
工作原理
通常電機的轉子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產生一矢量磁場。該磁場會帶動轉子旋轉一角度，使得轉子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉一個角度。轉子也隨著該磁場轉一個角度。每輸入一個電脈衝，電動機轉動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈衝數成正比、轉速與脈衝頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉。所以可用控制脈衝數量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉動。
發熱原理
通常見到的各類電機，內部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會產生損耗，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，如果電流不是標準的直流或正弦波，還會產生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應，在交變磁場中也會產生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關，這叫鐵損。銅損和鐵損都會以發熱的形式表現出來，從而影響電機的效率。步進電機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速而變化，因而步進電機普遍存在發熱情況，且情況比一般交流電機嚴重。
主要構造
步進電機也叫步進器，它利用電磁學原理，將電能轉換為機械能，
人們早在20世紀20年代就開始使用這種電機。隨著嵌入式系統（例如印表機、磁碟驅動器、玩具、雨刷、震動尋呼機、機械手臂和錄像機等）的日益流行，步進電機的使用也開始暴增。不論在工業、軍事、醫療、汽車還是娛樂業中，只要需要把某件物體從一個位置移動到另一個位置，步進電機就一定能派上用場。步進電機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：可變磁阻步進電機和永磁步進電機。
步進電機是由一組纏繞在電機固定部件--定子齒槽上的線圈驅動的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。
步進電機加減速過程控制技術
正因為步進電機的廣泛應用，對步進電機的控制的研究也越來越多，在啟動或加速時如果步進脈衝變化太快，轉子由於慣性而跟隨不上電信號的變化，產生堵轉或失步在停止或減速時由於同樣原因則可能產生超步。為防止堵轉、失步和超步，提高工作頻率，要對步進電機進行升降速控制。
步進電機的轉速取決於脈衝頻率、轉子齒數和拍數。其角速度與脈衝頻率成正比，而且在時間上與脈衝同步。因而在轉子齒數和運行拍數一定的情況下，只要控制脈衝頻率即可獲得所需速度。由於步進電機是藉助它的同步力矩而啟動的，為了不發生失步，啟動頻率是不高的。特別是隨著功率的增加，轉子直徑增大，慣量增大，啟動頻率和最高運行頻率可能相差十倍之多。 ［1］
步進電機的起動頻率特性使步進電機啟動時不能直接達到運行頻率，而要有一個啟動過程，即從一個低的轉速逐漸升速到運行轉速。停止時運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。
步進電機的輸出力矩隨著脈衝頻率的上升而下降，啟動頻率越高，啟動力矩就越小，帶動負載的能力越差，啟動時會造成失步，而在停止時又會發生過衝。要使步進電機快速的達到所要求的速度又不失步或過衝，其關鍵在於使加速過程中，加速度所要求的力矩既能充分利用各個運行頻率下步進電機所提供的力矩，又不能超過這個力矩。因此，步進電機的運行一般要經過加速、勻速、減速三個階段，要求加減速過程時間儘量的短，恆速時間儘量長。特別是在要求快速響應的工作中，從起點到終點運行的時間要求最短，這就必須要求加速、減速的過程最短，而恆速時的速度最高。 ［1］
國內外的科技工作者對步進電機的速度控制技術進行了大量的研究，建立了多種加減速控制數學模型，如指數模型、線性模型等，並在此基礎上設計開發了多種控制電路，改善了步進電機的運動特性，推廣了步進電機的應用範圍指數加減速考慮了步進電機固有的矩頻特性，既能保證步進電機在運動中不失步，又充分發揮了電機的固有特性，縮短了升降速時間，但因電機負載的變化，很難實現而線性加減速僅考慮電機在負載能力範圍的角速度與脈衝成正比這一關係，不因電源電壓、負載環境的波動而變化的特性，這種升速方法的加速度是恆定的，其缺點是未充分考慮步進電機輸出力矩隨速度變化的特性，步進電機在高速時會發生失步。 ［1］
步進電機的細分驅動控制
步進電機由於受到自身製造工藝的限制，如步距角的大小由轉子齒數和運行拍數決定，但轉子齒數和運行拍數是有限的，因此步進電機的步距角一般較大並且是固定的，步進的解析度低、缺乏靈活性、在低頻運行時振動，噪音比其他微電機都高，使物理裝置容易疲勞或損壞。這些缺點使步進電機只能應用在一些要求較低的場合，對要求較高的場合，只能採取閉環控制，增加了系統的複雜性，這些缺點嚴重限制了步進電機作為優良的開環控制組件的有效利用。細分驅動技術在一定程度上有效地克服了這些缺點。 ［1］
步進電機細分驅動技術是年代中期發展起來的一種可以顯著改善步進電機綜合使用性能的驅動技術。年美國學者、首次在美國增量運動控制系統及器件年會上提出步進電機步距角細分的控制方法。在其後的二十多年裡，步進電機細分驅動得到了很大的發展。逐步發展到上世紀九十年代完全成熟的。我國對細分驅動技術的研究，起步時間與國外相差無幾。 ［1］
在九十年代中期的到了較大的發展。主要應用在工業、航天、機器人、精密測量等領域，如跟蹤衛星用光電經緯儀、軍用儀器、通訊和雷達等設備，細分驅動技術的廣泛應用，使得電機的相數不受步距角的限制，為產品設計帶來了方便。目前在步進電機的細分驅動技術上，採用斬波恆流驅動，儀脈衝寬度調製驅動、電流矢量恆幅均勻旋轉驅動控制止，，幾大大提高步進電機運行運轉精度，使步進電機在中、小功率應用領域向高速且精密化的方向發展。 ［1］
最初，對步進電機相電流的控制是由硬體來實現的，通常採用兩種方法，採用多路功率開關電流供電，在繞組上進行電流疊加，這種方法使功率管損耗少，但由於路數多，所以器件多，體積大。
先對脈衝信號疊加，再經功率管線性放大，獲得階梯形電流，優點是所用器件少，但功率管功耗大，系統功率低，如果管子工作在非線性區會引起失真、由於本身不可克服的缺點，因此目前已很少採用這兩類方法。
分類
2相步進電機
雷賽兩相混和式步進電機，採用優質冷軋鋼合耐高溫永磁體製造，產品規格覆蓋35－130規格，具有溫生低、可靠性高、運行平穩的特點，可滿足不同行業、不同環境下的使用需求。深圳市高先生24小時提供產品諮詢。
35系列兩相步進電機
39系列兩相步進電機
42系列兩相步進電機
57系列兩相步進電機
86系列兩相步進電機
110系列兩相步進電機
3相步進電機
雷賽三相混和式步進電機，採用優質冷軋鋼合耐高溫永磁體製造，包括57、86規格，具有溫生低、可靠性高、運行平穩的特點，可滿足不同行業、不同環境下的使用需求。
57系列三相步進電機
86系列三相步進電機
M542是兩相步進驅動器，驅動器的接線除電機、電源接線外，還有控制信號接線，有相關的資料可以g供參考，很多大同小異。
步進電機有步距角（涉及到相數）、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。
1、步距角的選擇
電機的步距角取決於負載精度的要求，將負載的最小解析度（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等於或小於此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度（三相電機）等。
2、靜力矩的選擇
步進電機的動態力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恆速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）
3、電流的選擇
靜力矩一樣的電機，由於電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅動電源、及驅動電壓）
4、力矩與功率換算
步進電機一般在較大範圍內調速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：
P= Ω·M
Ω=2π·n/60
P=2πnM/60
其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉速，M為力矩單位為牛頓·米
P=2πfM/400（半步工作）
其中f為每秒脈衝數（簡稱PPS）
（二）、步進電機應用中的注意點
1、步進電機應用於低速場合－－-每分鐘轉速不超過1000轉，（0.9度時6666PPS），最好在1000-3000PPS（0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。
2、步進電機最好不使用整步狀態，整步狀態時振動大。
3、由於歷史原因，只有標稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅動電壓伏值，可根據驅動器選擇驅動電壓（建議：SL57採用直流24V-36V，SL86採用直流50V，SL110採用高於直流80V），當然12伏的電壓除12V恆壓驅動外也可以採用其他驅動電源，不過要考慮溫升。
4、轉動慣量大的負載應選擇大機座號電機。
5、電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而採用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。
6、高精度時，應通過機械減速、提高電機速度，或採用高細分數的驅動器來解決，也可以採用5相電機，不過其整個系統的價格較貴，生產廠家少，其被淘汰的說法是外行話。
7、電機不應在振動區內工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。
8、電機在600PPS（0.9度）以下工作，應採用小電流、大電感、低電壓來驅動。
9、應遵循先選電機後選驅動的原則。
關於雷賽步進電機的相關介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。
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