步进电机学习

 

步进电机简介：

       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。

       控制脉冲频率可以精确调速，控制脉冲数可以精确定位。

       步进电机速度和频率有关，和脉冲数目无关，脉冲数据和圈数有关。

1. 关键词解释
   
   
           pps（pulses per second）：表示步进电机速度单位，（在不做特别说明情况下, PPS是指不细分每秒所送出的脉冲频率（也可以称为：脉冲数））。
           RPM( revolutions per minute)：表示每分钟多少转，“运转速度”。
           如：一秒钟圈，
   
           
          特性：

            1）保持转矩（Holding torque）（保持力矩单位：Nm）
                   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哀减，
            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。
   
            2）锁住力矩（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。
            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
            没有DETENT TORQUE。
   
            3）输出力矩（output torque）
                   以指定的驱动频率脉冲（周波数）使马达转动，然后给马达施加一个较大的负荷力矩，使马达转动不正常。
            之后慢慢减少给马达所施加的负荷力矩，直至马达转动正常之前的那个最小的力矩就是输出力矩。
   
            4）输入力矩（input torque）
                   以指定的驱动频率脉冲（周波数）使马达转动，然后给马达慢慢增加所施加的负荷力矩，直至马达转动不正常
            之前的那个最小的力矩就是输入力矩。
   
            5）最大应答周波数（空载启动频率）（Maximum Slewing Frequency）
                   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，可能会发生
            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，脉冲频率应该有个加速过程，即
            启动频率较低，然后按一定加速度升到所测试时先以最小频率（周波数）的驱动脉冲使马达转动，然后慢慢增加驱
            动脉冲的频率，直至马达转动不正常之前的那个最小的驱动脉冲频率就是最大应答周波数（空载启动频率）。
    
            6）最大自起动周波数（Maximum Starting Frequency）
                 以最大频率（周波数）的驱动脉冲使马达无法正常转动，然后慢慢减小驱动脉冲的频率，直至马达转动正常之前
           的那个最小驱动脉冲频率就是最大自起动周波数。
   
            7）电机力矩和转速之间的关系（The relationship between torque and speed of motor）
                  当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个方向电动势；频率越高，方向电动势越大。
           在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流越小，从而导致力矩下降。

   
            8）电机表面温度（Motor surface temperature）
                  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（脱调），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。测试时可以用一定的频率的驱动脉冲使马达在无
           风的室温状态下转数小时，然后用红外温度计测量马达表面温度。
    

   1. 电机主要性能参数：
      
      1）电性能（electric performance）
           1>相数（number of phase）
           2>驱动方式（drive model）
           3>步距角（step angle）
           4>额定电压（voltage）
           5>直流电阻（resistance of per phase）
           6>最大空载牵出频率（Max no-load pull out frequency）
           7>最大空载牵入频率（Max no-load pull in frequency）
           8>最大牵出频率（max pull out frequency）
           9>最大牵入频率（max pull in frequency）
           10>牵出转矩（put out torque）
           11>牵入转矩（put in rorque）
           12>绝缘电阻（insulation resistance）
           13>绝缘介电强度（dielectric break down of insulation）
           14>绝缘等级（insulation grade）
           15>温升（temperature rise）
      
      2）机械性能（mechanical performance）
            1>外观（outside view）
            2>电机结构及外形尺寸(motor structure and size)
            3>重量（weight）
            4>摩擦转矩（friction torque）
            5>噪音（noise）
            6>输出轴机械强度（Mechanical strength of output shaft）
            7>引出线强度（lead wire shrength）
            8>自定位转矩（detent torque）
       
2. 计算公式：
   
   计算步进电机转速：
   转速（r/s）=脉冲频率/（电机每转整步数*细分数）
   
   
   V：电机转速（R/S）；  P：脉冲频率（Hz）;     θe：电机固有步距角；
   m：细分数（整步为1，半步为2）
    

3. 步距角θ=360度/（转子齿数×运行拍数）。

   电机的步距角表示控制系统每发送一个脉冲信号，电机所转动的角度。或者说，每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为歩距角，用θ表示。

   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θ=360度/（50×4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50×8）=0.9度（俗称半步）。
   
   还有一种方式：1）普通：       θ=360°C/（50《转子齿数》×10《定子齿数》）=0.72°C
                           2）高分辨率：θ=360°C/（100《转子齿数》×10《定子齿数》）=0.36°C

   
   
   
    

4. 
   
   
    

5. 什么叫步进电机的牵入转矩（pull in torque）?
   答：
   动态力矩，即在一定步进速率下电机所产生的力矩。动态力矩一般由PULL IN（牵入）力矩或PULL OUT(牵出)力矩所表示。

    PULL OUT(牵出)力矩:（也有一些电机厂家称为脱入力矩）

   　　步进电机在不失步的前提下，连续恒速运转时轴端能够输出的最大力矩。

    PULL IN(牵入)力矩:（也有一些电机厂家称为脱出力矩）

   　　步进电机在不失步的前提下，能够确保启动、停车和换向的加速转矩。必须克服转子惯量、外接负载及各种摩擦转矩。牵入力矩通常小于牵出力矩。

   
   
    
6. 科普知识
   1，常用计算公式：
   转速：电机每分钟旋转圈数，常用单位： 转/分(rpm 或 r/min.)。
          rpm : revolution  per  mintue
          转/分 = 转/秒×60              转/秒（rps 或 r/sec.）
   频率：控制器每秒发出脉冲数，常用单位： 脉冲/秒 （pps 或Hz）。
          pps : pulse per second
   细分：常用步进驱动器设置的每转脉冲数来表示，常用单位：脉冲/转 （ppr 或 pulse/rev.）
          ppr : pulse per revolution
       （注：细分数实际是指通过电子技术将步进电机固有的每一步细分成的更多步数，但目前国内为了使用和计算方便而按上述每转脉冲数来标注。）
   传动比：从动轮齿数（或直径）与主动轮齿数（或直径）的比值，通常用i表示。
          同步传动i=1；减速传动i>1；增速传动i<1 。按此定义减速机的传动比（即减速比）是大于1的。
   2，已知角度和时间计算转速：
     （ 1转 = 360度 ）
   3，已知长度和时间计算转速：
   4，已知行程长度和丝杆导程和时间计算转速：
   导程：螺纹环绕螺杆一周的距离叫导程。通常用S表示。单线螺纹（常用）的导程等于螺距P，多线螺纹的导程等于头数（n）乘以螺距，即 S=n×P。
   注：以上2，3，4公式算的是平均转速。如是变速运动，请根据运动学公式计算最大转速。
   附注：
   周期：事物在运动、变化过程中，某些特征多次重复出现，其连续两次出现之间所经过的时间叫“周期”，常用T表示。
   频率：物质在1s内完成周期性变化的次数叫做频率，常用f表示(f = 1/T)。单位为秒分之一，符号为s-1。为了纪念德国物理学家赫兹的贡献，人们把频率的单位命名为赫兹，简称“赫”，符号为Hz。每个物体都有由它本身性质决定的与振幅无关的频率，叫做固有频率。
   信号：信号是带有信息（如语言、音乐、图像、数据等）的随时间（和空间）变化的物理量或物理现象，其随时间t变化的图像称为信号的波形。
   脉冲：科技名词，主要指一个物理量在短持续时间内突变后迅速回到其初始状态的过程。
   脉冲信号： 瞬间突然变化，作用时间极短的电压或电流称为脉冲信号。
       可以是周期性重复的，也可以是非周期性的或单次的。脉冲信号是一种离散信号（数字信号），形状多种多样，与普通模拟信号（如正弦波）相比，波形之间在时间轴不连续（波形与波形之间有明显的间隔）但具有一定的周期性是它的特点。最常见的脉冲波是矩形波（方波）。
       在电子技术中，脉冲信号是一个按一定电压幅度，一定时间间隔连续发出的电信号。
       脉冲信号之间的时间间隔称为脉冲周期；而将在单位时间（通常指1秒）内所产生的脉冲个数称为脉冲频率。
       频率是描述周期性循环信号（包括脉冲信号）在单位时间内所出现的次数多少的计量名称；频率的标准计量单位是Hz（赫）。频率在数学表达式中用“f”表示，其相应的单位有：Hz（赫）、kHz（千赫）、MHz（兆赫）、GHz（吉赫）。其1GHz=1000MHz，1MHz=1000kHz，1kHz=1000Hz。计算脉冲信号周期的时间单位及相应的换算关系是：s（秒）、ms（毫秒）、μs（微秒）、ns（纳秒），其中：1s=1000ms，1ms=1000μs，1μs=1000ns。
   细分驱动（微步驱动）：将一个步距角细分成若干小步的驱动，微步驱动技术是一种电流波形控制技术。
   其基本思想是控制每相绕组电流的波形，使其阶梯上升或下降，即在0和最大值之间给出多个稳定的中间状态，定子磁场的旋转过程中也就有了多个稳定的中间状态，对应于电机转子旋转的步数增多、步距角减小。采用细分驱动技术可以大大提高步进电机的步矩分辨率，减小转矩波动，避免低频共振及降低运行噪声 。
   步进电机驱动器：是一种能使步进电机运转的功率放大器，能把控制器发来的脉冲信号转化为步进电机的角位移。主要由相序逻辑控制电路（环形分配器）和功率放大电路两部分组成。
   步进电机控制器：给步进驱动器提供运转和方向等运动状态的脉冲发生器。通常由PLC或者运动控制卡，单片机来做控制器。
   螺距：螺距指的是螺纹上相邻两牙对应点的轴向距离，代号是P。
   
    
7.