步进电机性能研究.docx

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1、步进电机性能研究摘要：本文从步进电机的基本原理入手，结合实际应用中出现的各种问题的解决方法，分析步进电机的控制原理，总结多元素影响下如何提高步进电机的工作性能。文中重点分析驱动器、驱动电压、加速度曲线、细分数等对电机性能的影响。关键字：步进电机性能控制驱动器一、步进电机在自动化领域中的地位上世纪二十年代英国人最早研发了步进电机，到了五十年代后期，晶体管的发明被逐渐应用到步进电机的控制上，使得该微特电机机种得以发展。1958年我国开始对步进电机进行研究，经过半个世纪的发展，我国步进电机市场形成了品种少规格繁多的形势。步进电机以其体积小、成本低、控制简单、精度高、质量稳定等优点广泛应用于自动化控制

2、领域，大到数控机床、印刷机、纺织机械、雕刻机，小到打标机、机器人、POS机、打印机、仪器仪表、ATM机等，均应用了大大小小各种各样的步进控制。二、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元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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。图1.步进电机步进电机

3、作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此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。三、影响步进电机使用性能的若干因素1 .步进电机型号选择目前市场上销量最大的步进电机基本上都是两相混合式，步进电机根据安装尺寸的大小分为：20BYG、28BYG、35BYG、39BYG、42BYG57BYG、60BYG86B

4、YG、UOBYG、130BYGo步进电机除了法笠盘与机身长度有较大差异外，同一款法兰盘的电机也有若干细分，电机的转矩随其机身的有效体积（机身长度*截面积）的增加而增大。电机参数表及电机矩频曲线是电机选型的重要依据，下面以上海鸣志的24HS系列步进电机为例作选型分析。表1：Bi-PokirMode1NumberResistanceperPhaseInductanceperPhaseRatedCurrentHo1dingTorqueDetentTorqueRotorIntertiaohmmHAmNmoz-inmNmoz-ingcmoz-in24HS1402N0.731.62.8870123.234

5、05.662801.5424HS1403N2.926.41.41060150.14405.662801.5424HS1404N0.350.84850120.40405.662801.5424HS2401-03N1.13.4281600226.639012.754502.4824HS2402N0.431.141250177.059012.754502.4824HS2404N4131.41600226.639012.754502.4824HS3401N1.13.12.81800254.969513.465603.0824HS3403N4.4141.41950276.209513.465603.08

6、24HS5401N0.652.442500354.1110014.169004.9524HS5402N1.496.52.82700382.4410014.169004.9524HS5403N5.96251.42700382.4410014.169004.95表2Uni-Po1arMode1NumberResistanceperPhaseInductanceperPhaseRatedCurrentHo1dingTorqueDetentTorqueRotorIntertiaohmmHAmNmoz-inmNmoz-ine.cmoz-in-24HS1601N5.76.81740104.82405.66

7、2801.5424HS1603N0.740.82.8740104.82405.662801.5424HS1604N1.461.82740104.82405.662801.5424HS2601N0.91.3231130160.069012.754502.4824HS2602N1.9321130160.069012.754502.4824HS2607N6.910.711100155.819012.754502.4824HS3601N2.23.521500212.469513.465603.0824HS5601N1.32.432100297.4510014.169004.9524HS5602N2.8

8、5.922100297.4510014.169004.9524HS5604N1019.512100297.4510014.169004.9524HS系列是60mm机座的二相混合式步进电机，其步距角1.8度，定子8极，大转子,该系歹IJ电机的机身长度有44mm(24HS1)54mm(24HS2)、65mm(24HS3)和85mm(24HS5)四种,出线方式有4出线(表1：Bi-Po1ar)和6出线俵2：Uni-Po1ar),从表一、表二可得，相同尺寸规格电机的保持转矩、定位转矩和转动惯量基本上是一致的，而电机的相电阻、相电感、额定电流却有较大的差别，很多技术工程师在选型的时候只关注电机转矩，没有

9、对其他相关参数进行分析，有时将造成电机与执行系统的不匹配。步进电机选型的方法五大步骤：第一步：保持力矩。传统电机选型时第一考虑的是电机的功率，而步进电机参数表中却没有这个参数，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，其相对应的是步进电机的保持转矩。电机转矩的计算包含两部分：一是克服驱动机构的摩擦转矩T1；一是克服负载和电机转子惯量的启动转矩Ts;电机扭矩T=(T1+Ts)*S,S：安全系数，一般计算S=2.根据计算所得的转矩大小(即所要带动物体的扭力大小)，对照电机参数表来选择哪种型号的电机，一般而言，负载扭矩在IN.m以下选用42BYG以下的电机；负载扭矩介于

10、IN.m与2N.m之间可选用57BYG或者60BYG；负载在2N.m以上的可考虑75BYG、86BYG,I1OBYG的扭力可达27N.mo第二步：转动惯量。步进电机的转动惯量是大家容易忽视的一个参数，电机的转动惯量的大小跟其法/盘和机身长度成正比，电机转子越大其队也能够的转动惯量也越大，上海鸣志电工步进电机转子分为小转子（24HY）、中专子（24HM）和大转子（24HS）。电机转动惯量越小，其启动速度越快，富速性能也越好；在负责转动惯量较大的应用场合，大转动惯量的电机在启动和停止的时候均具有较好的平稳性，转动惯量太小的电机在停止的时候甚至出现过冲的现象（无法正常定位）。惯量比N=负载转动惯量J

11、1/电机转动惯量JS理论上负载折算到电机轴的惯量与电机转子惯量比小于5。第三步：相电感与矩频特性。步进电机的转矩并不同于伺服电机的恒转矩，电机的输出转矩与转速成反比，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（IooO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。322图2.步进电机矩频特性第四步：电机项数的选择。大家都知道，不同相数的电机，工作效果是不同的

12、。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。目前市场上用量最大的步进电机都是两相电机，有电机是四相绕组八出线，但实际使用时均接成两相的接法。除了两相电机外，三相电机和五相电机在高速大力矩的优势更为明显，但国内电机生产厂家很少有成熟的五相电机及其驱动器，进口的五相电机、驱动器价格非常昂贵，接近伺服的价格。第五步：选择较好的厂家。国内步进电机的生产厂家很多，主要集中在江苏常州，其生产的电机价格相对较低，性能也基本可以满足一般的使用，此外，在广东、深圳等地也有不错的电机厂家，本文中所列的上海鸣志就是其中之一。选择较好的生产厂家除了能够提供质量可靠的电机之外，在技术支持上也有很好的帮

13、助。2 .电机引出线及其接线方法电机的引出线上文已有提及，对于两相步进电机，有三种引线方式：四出线、六出线和八出线。与之相匹配的电机驱动器有单级控制方式和双极控制方式，接线上分为两种，一种是四线接法(A+A-BB-)：一种是六线接法(A+ACA-BBCB-)。四出线的电机只能选择四出线的驱动器，六出线的电机虽然也可以接四出线的驱动器，但其接法的不同将产生不一样的效果，建议直接用六出线的驱动器，其效果较好。CWRotM1ooFacingE图3.电机引线与控制时序八线电机引出线最多，其接线虽较为复杂，但可根据应用场合灵活变动，八线电机有三种接法：六线制接法、串联四线接法和并联四线接法,因此不管是单

14、级控制的六线驱动器还是双极控制的四线驱动器都可以很好的匹配。6线电机高力矩模式6线电机高速模式图4.电机接线方法3 .电机驱动器的选择两相混合式步进电机驱动器的种类，从电机驱动技术上可分为单级驱动和双极驱动；从控制核心技术上可分为传统的模拟量控制和近几年快速发展的数字式PID控制；从驱动电压的不同来分有直流驱动器和交流驱动器。同样的电机匹配不一样的驱动器有时会产生很大的差异，笔者所在的行业对步进电机的运行性能有很高的要求，如：1个脉冲的定位精度，无累积误差；大扭矩高速运转（180OrPm）；快速启动（3OmS达到150OrPm的速度）：频繁启停（1秒内做将近10次的启停动作）。为了实现近似苛刻的性能要求，建议采用高驱动电压的数字式P1D控制的驱动器。此类驱动器相对模拟量控制的驱动器而言，具有以下优点：1.较低的静态电流噪音；2.灵活可调的启动电流；3.发热量低：4.电机性能自动匹配；5.可通过上位机（电脑）进行在线调试等。4 .驱动电压对电机的影响与传统的交流异步电机或直流电机不同，步进电机对电压没有做硬性的规定，但是步进电机的驱动电压、相电阻、相电感与保持扭矩之间有着很大的联系，对于高速大扭矩的应用场合，驱动电压大小的选择将决定电机的最大输