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步进电机选型要点你必须要知道

发布时间:2020-02-27 22:12:34 编辑:笔名

步进电机选型要点,你必须要知道!

现在制造工业技术的发展,到处都离不开步进电机,步机电机的生产程序是一项非常繁琐的事情,要求生产制造人员不仅要对机械、电机行业了解,还涉及到了许多电子与计算机方面的知识,步进电机主要是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。要是片面从电流来考虑如何配驱动器,那肯定是不合适的。虽然步进电机已被广泛地应用,所以用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。下面来给大家讲讲步进电机选型、基本特性、接线方法、典型故障分析与处理方法。

步进电机选型

1、步进电机转矩的选择

步进电机的保持转矩,近似于传统电机所称的“功率”。当然,有着本质的区别。步进电动机的物理结构,完全不同于交流、直流电机,电机的输出功率是可变的。通常根据需要的转矩大小(即所要带动物体的扭力大小),来选择哪种型号的电机。大致说来,扭力在0.8N.m以下,选择20、28、35、39、42(电机的机身直径或方度,单位:mm);扭力在1N.m左右的,选择57电机较为合适。扭力在几个N.m或更大的情况下,就要选择86、110、130等规格的步进电机。

2、步过电机转速的选择

对于电机的转速也要特别考虑。因为,电机的输出转矩,与转速成反比。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(1000转/分--9000转)就很小了。当然,有些工况环境需要高速电机,就要对步进电动机的线圈电阻、电感等指标进行衡量。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。

3、步进电机空载起动频率的选择

步进电机空载起动频率,通常称为“空起频率”。这是选购电机比较重要的一项指标。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),通常需要“加速启动”。如果需要直接启动达到高速运转,最好选择反应式或永磁电机。这些电机的“空起频率”都比较高。

4、步进电机的相数选择

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,使用两相电机比较多。在高速大力矩的工作环境,选择三相步进电机是比较实用的。

5、针对步进电机使用环境来选择

特种步进电机能够防水、防油,用于某些特殊场合。例如水下机器人,就需要放水电机。对于特种用途的电机,就要针对性选择了。

6、根据您的实际情况可否需要特殊规格

特殊规格的步进电机,请和我们沟通,在技术允许的范围内,加工订货。例如,出轴的直径、长短、伸出方向等。

步进电机是一种作为控制用的特种电机, 它的旋转是以固定的角度(称为“步距角”)一步一步运行的, 其特点是没有积累误差, 所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动, 这种装置就是步进电机驱动器, 它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移, 或者说: 控制系统每发一个脉冲信号, 通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以,控制步进脉冲信号的频率,可以对电机精确调速;控制步进脉冲的个数,可以对电机精确定位目的。

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步进电机的基本特性

一、静态转矩特性

步进电机的线圈通直流电时,带负载转子的电磁转矩(与负载转矩平衡而产生的恢复电磁转矩称为静态转矩或静止转矩)与转子功率角的关系称为角度-静止转矩特性,这就是电机的静态特性。如下图所示:

因为转子为永磁体,产生的气隙磁密为正弦分布,所以理论上静止转矩曲线为正弦波。此角度-静止转矩特性为步进电机产生电磁转矩能力的重要指标,最大转矩越大越好,转矩波形越接近正弦越好。实际上磁极下存在齿槽转矩,使合成转矩发生畸变,如两相电机的齿槽转矩为静止转矩角度周期的4倍谐波,加在正弦的静止转矩上,则上图所示的转矩为:

TL=TMsin[(θL/θM)π/2]

其中TL与TM各表示负载转矩和最大静止转矩(或称把持转矩),相对应的功率角为θL和θM,此位移角的变化决定了步进电机位置精度。根据上式得到:

θL=(2θM/π)arcsin(TL/TM)

PM型永磁步进电机和HB混合式步进电机的步距角θs在前面的课程中讲过即:θs=180°/PNr,角度改为机械角度(弧度),则变成下式:

θs=π/(2Nr)

上式Nr为转子齿数或极对数,所以两相电机θM=θs。

负载转矩为电磁转矩的负载(如弹簧力或重物的提升力等),电机如要正反向运动,会产生2θL的角度偏差,要提高位置精度,θL就要小,因此,依据式θL=(2θM/π)arcsin(TL/TM),应选择最大静止转矩Tm大、步距角θs小的步进电机,即高分辨率电机。根据式θs=π/(2Nr)可知,要使θs越小,Nr越大越好。

另外,高分辨率的步进电机的转子结构大致分为PM型、VR型、HB型三种,其中HB型分辨率最好。

由于PM型定子磁极为爪级结构的关系,定子磁极数的增加受到机械加工的限制。HB型转子表面无齿,N极与S极在转子表面交替磁化,因此极数即为极对数Nr,同样的,转子磁极Nr的增加也受到充磁机械的限制。VR型转子齿数与HB型相同时,因不使用永磁体,虽有相同的Nr,但是步距角θs为HB型的2倍,并且由于无永磁磁极,最大转矩Tm比HB型小。

当两相步进电机外径为42mm左右时,Nr=100齿,步距角0.9°,这 是实际使用中最高的分辨率。Nr变大,电抗也增加,则高转速下转矩会下降。因此,Nr=50,步距角为1.8°的电机被广泛使用。对HB型结构,全步进状态的步距角精度为士3%,步进电机运行角度θ=nθs,各步运行中无累积误差,电机的速度如足够大,尽可能提高n(θs小),以提高位置定位精度。

二、动态转矩特性

动态转矩特性包括驱动脉冲频率-转矩特性和驱动脉冲频率-惯量特性。

1、脉冲频率-转矩特性

脉冲频率-转矩特性是选用步进电机的重要特性。如下图所示,纵轴为动态转矩(dynamic torque),横轴取响应脉冲频率,响应脉冲频率用pps(pulse per second)作为单位,即每秒的脉冲数表示。

如图所示,步进电机的动态转矩产生包括失步转矩(pull-out-torque)和牵入转矩(pull-in-torque)两个转矩。前者称为失步或丢失转矩,后者称为起动或牵入转矩。牵入转矩范围为从零到最大自起动脉冲频率或最大自起动频率区域。牵入曲线包围的区域称为自起动区域。电机同步进行正反转起动运行,在牵入与失步区域之间为运转区,电机在此区域内可带相应负载同步连续运行,超出范围的负载转矩将不能连续运行,出现失步现象。步进电机为开环驱动控制,其负载转矩与电磁转矩之间要有裕度,其值应为50%~80%。

失步转矩与牵入转矩在0pps时相等。随着控制脉冲频率的增加,带负载能力会下降。在运行开始,控制脉冲频率应缓慢增加,以便利用低速下的大转矩,提供电机在低速运行时需要的加速转矩,减少加速时间。步进电机定子线圈的电感设计的越小,最大响应脉冲频率就越大,这样就可将慢加速驱动变为快加速驱动运行。

2、脉冲频率-惯量特性

步进电机在带惯性负载快速起动时,须有足够的起动加速度。因此如负载的惯量增加,则起动脉冲频率就下降,为此,在选择步进电机时对两者要进行综合考虑。

下图纵轴为最大自起动频率,横轴为负载惯量,曲线表示负载惯量与最大自起动脉冲频率之间的关系。此处以PM型爪极步进电机(两相,步距角7.5°)为例。负载PL下,最大自起动脉冲频率PL与负载惯量Jc的关系如下:

式中,JR步进电机转子惯量,Ps为空载的最大自起动频率。

3、暂态转矩特性

由于步进电机转子惯量作用,即使空载运行一步,也会产生超越角(over-shoot),并在超越角与返回角(under-shoot)之间来回振荡,经过哀减后静止于所定角度,此为步进电机暂态响应特性。

下图表示步进电机的暂态特性,纵轴取转子移动角度,横轴为时间。△T为上升时间,△θ表示超越角,转子自由静止到设定位置的时间(通常到达步距角的士5%误差范围的时间)称为稳定时间(setting time)。

稳定时间越短,快速性越好,为了加快机构的运行速度,使稳定时间变短,步进电机的阻尼(制动)变得很重要。

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步进电机的接线方法

1、四线点击和六线电机高速度模式:输出电流设成等于或略小于电机额定电流值;

2、六线电机高力矩模式:输出电流设成电机额定电流的0.7倍;

3、八线电机并联接法:输出电流应设成电机单极性接法电流的1.4倍;

4、八线电机串联接法:输出电流应设成电机单极性接法电流的0.7倍。

步进电机的典型故障分析与处理方法

一、起动和运行速度慢,影响系统同步

1、步进电动机检修时,常要将定子各相控制绕组中串联的小电阻摘下,进行绕组检测和修理,检修后未再接入串联电阻,有时小电阻损坏或失效未更换,造成难起动,运行速度减慢。小电阻失效或未接入,则回路时间常数加大,使脉冲电流上升沿和下降沿由陡变为平坦,恶化了频率特性,也即恶化了步进电动机运行特性。所以,当步进电动机修完后,一定要接入小电阻;检修过程也必须用万用表检测小电阻有无断路、短路或击穿故障,如有则应同时更换合格的同规格小电阻,不要使之失效仍接入线路,不然影响抑制绕组中电感,使系统不同步,又为查找故障增加麻烦。

2、定转子气隙不均,使定转子相擦,造成起动困难或运行速度减慢。由于气隙不均造成定转子相擦,加大了步进电动机静态力矩,阻力加大使动态特性变坏,导致起动和运行速度减慢。当发生此类故障时,应仔细检查定转子相擦的原因。根据造成的具体原因,采取有效措施,排除故障,使气隙均匀。

①检查中如发现因轴承损坏或端盖止口与定子外壳不同心所至,应更换新的合格轴承,及新配端盖,新端盖止口车削要按外壳止口公差尺寸配车。

②如检查出属转轴变弯,可采取调直方法调直弯曲端或更换新轴。

③测量转子外径如发现椭圆度超差,将转子进行精车一刀或磨削加工,消除不圆度。应注意车削或磨削加工时,加工量不宜过大,仅需将椭圆大直径车去或磨去,否则气隙加大,会导致电机其它性能变坏。

二、步进电动机运行中失步

当步进电动机改变负载运行时,如带大惯量负载则产生振荡,造成电机在某一运行频率下,起动丢步或停转滑步。造成步进电动机运行中失步。

1、为了消除大惯性负载引起失步,可以采用机械阻尼的方法,用以消除或吸收振荡能量;也可以通过加大负载的摩擦力矩的方法,从而改善运行特性,消除失步。因为步进电动机受控于电脉冲而产生步进运动,采取如上措施能使电脉冲正常,不受干扰,从而消除电机运行中失步。

2、另一种失步可能是原采用双电源供电的而改为单电源供电,又未采取相应补救措施,使起动频率和运行频率降低,矩频特性恶化而失步。当是此种原因所至,应重新恢复双电源供电。有些使用单位或部门,为简化电路采用单电源供电造成电动机运行失步,这种做法不当,要知道采用双电源是为了提高起动和运行两种频率,改善矩频特性,从而改善了输入步进电动机绕组中脉冲电流的上升沿和下降沿。用单电源供电,脉冲稳定电流得不到维持,步进电动机功率相应减小,所以在驱动中相当于容量减小而过载,效率降低而失步。采用双电源,用高低两套电路,即在步进电动机绕组脉冲电流通入瞬间,对其施以高压,强迫电流上升加速;池电流达到一定值后,再改施以低压,使电机正常运行。这种措施不仅使驱动电源容量大大减小,同时也提高了运行效率,改善运行特性,电动机不会失步运行。

三、控制绕组一相反绕,影响正常运行

当步进电动机不能正常运行时,除上述两种原因影响速度或失步外,可能是定了控制绕组有一相反接。当一相绕组反接,相当于通电电流方向相反,电流相互抵消,电动机在此相内无脉冲电流,运行失常或根本不能运行。在通电情况下,检测三相电流就能发现。检测出反接相后,将该相绕组首末引出线对调,按正确接法接好,再通电运行进行电流的检测。

四、开路故障

定子控制绕组开路故障,表现为一种是引线接头处断或焊接处全脱焊,或从某一匝中导线折断;另一种情况是导线将断未断,如假焊、虚焊,或有裂纹。

1、此故障可采用检测普通三相电动机断路方法来检测,较方便的是用万用表电阻档来检测,当指针不动或电阻很大,说明所检测一相绕组为开路。

2、修理方法是找到故障处,将断开两头漆皮刮掉后拧紧再焊牢,包上绝缘。

五、短路故障

步进电动机定子控制绕组一般为单根导线绕制的多匝绕组,短路也是匝间短路。检测方法主要分以下两步:

目测法:凡短路的绕组因短路电流大而过热,绕组导线绝缘层有发黑变脆的糊焦状,凡有此种情况的为故障相;

1、用在通电运行状况下,测量各相电流,凡电流大的相为故障相。

2、故障相找到后,如果短路在端部外层,采用加热绕组后,轻轻撬起短路匝,用薄绝缘纸垫好,再压实,线圈局部加热,再刷上1032号绝缘漆后烘于即可;如短路严重不能局部修理,只有重绕线圈换上。

六、击穿故障

击穿故障的绕组可目测出,也可用兆欧表摇测其绝缘电阻,一般击穿后绕组将接地,检测相绝缘电阻为零者,说明即击穿又接地。

七、电源装置故障使步进电动机不能运行

功率放大失灵,门电路中电子开关损坏及计数器失灵是常发生的。可采用万用表及示波器等仪表,对照线路逐段检测。如测出放大程序逻辑部分无信号或信号弱,说明功率驱动器有毛病,对其应进一步检测和排除故障至有正常信号;当电子开关未在起动位置,门电路就开通,说明起动开关已经损坏,只有更换合格的开关;如反馈信号没有,即反馈没有电压值,说明反馈环节有故障,应检测脉冲数选器及整形反相环节等,找出毛病调整至有正常反馈电压为止。当发现电动机通电顺序不对,不符合设定顺序,说明环形分配器失灵,因它的级数应等于电动机的相数,在此情况下,它才按规定逻辑给电动机各相绕组依次通电,使之顺序转或逆转。总之,对电源装置应经常检测和调试,防止故障出现,影响电动机正常运行。

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通过上文位大家介绍的“步进电机选型、基本特性、接线方法、典型故障分析与处理方法”,相信大家对步进电机也有一定的了解了。传统电动机作为机电能量转换装置,在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天,传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求,发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统,其中较有自己特点,步进电动机使用最为广泛,进电机的产生提高了电机行业的整体性能,促进与推动了步进电机的发展,有淘汰传统电机的趋势。

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