步进电动机的应用朱宇王伟 普及与提高·PO PULAR IZAT I N & RA IS ING O 步进电动机的应用 朱宇1 , 王伟2 摘要: 介绍了步进电动机的应用领域, 解答了在步进电动机系统的应用中, 使用者需要了解的问题。 对步进电动 机的选用给出了详细说明。 关键词: 步进电动机; 驱动器; 控制系统; 应用 中图分类号: TM 383. 6文献标识码: C 文章编号: 1001- 6848 ( 2002) 04- 0055- 04 Abstract: T h is p ap er m akes in troduction on the app lica tion of stepp ing m o to r, and an sw er the question s of u ser on app lica ting the system of stepp ing m o to r. Key words: stepp ing m o to r; driver; con tro l system ; app lica tion 1引言 近几十年, 步进电动机获得了很大的发展, 尤其 是随着计算技术、 微电子技术和数字技术的发展, 步 进电动机的应用领域日益广阔。 步进电动机的应用对业内人士而言, 是老生常 谈。 但对众多新领域的使用者和从业不久人员而言, 如何利用步进电动机作为伺服应用、 在某些场合替 代交、 直流伺服电动机, 以及其优势所在不甚了然。 本文旨在解答步进电动机的使用者需要了解的问 题, 以便更好地利用步进电动机。 2步进电动机系统 211步进电动机系统的构成 收稿日期: 2002- 07- 16 步进电动机不同于通用的交、 直流电动机, 它必 ( 或称脉冲发生器) 、 须与驱动器、 控制器 直流电源组 成系统方能运行。 系统方框图如图 1 所示。 ( 11 西安科技学院, 陕西西安710054; 21 西安微电机研究所, 陕西西安710077) The Appl ica tion of Stepp ing M otor 1 2 ZHU Yu , AN G W ei W ( 1. X i’an U n iversity of Science & T echno logy, X i’an 710054, Ch ina; 2. X i’an M icro - m o to r R esea rch In stitu te, X i’an 710077, Ch ina ) 在实际系统中, 步进电动机和驱动器是两个不 可分割的组成部分, 故应用中所说的步进电动机均 指步进电动机和驱动器的成套装置。 控制器可由配 套整机系统中计算机或单片机提供, 直流电源亦可 由配套整机系统中其它电源提供。 212步进电动机系统的功能 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移 或直线位移的控制微电机。 其位移量严格正比于输 入脉冲数, 平均转速严格正比于输入脉冲的频率, 故 可进行无级调速。 同时, 在其工作频段内, 可以从一 种运动状态稳定地转换到另一种运动状态。 若改变 通电顺序, 就可方便地控制电动机正转或反转。 所以 定位。 改变电脉冲输入则能控制它并使其快速起动、 反转、 制动或改变转速, 步进电动机还有自锁能力, 当控制 电脉冲停止输入, 而让后一个脉冲控制的绕组继 续通直流电时, 则电动机可以保持在后一个脉冲 控制的角位移的终点位置上, 能够实现停车时转子 3步进电动机系统的应用 随着新材料、 新技术的发展及电子技术和计算 机的应用, 步进电动机及驱动器的研制和发展进入 了新阶段。 过去, 人们认为伺服系统一定优于步进系 统的观念也发生着很大的变化, 现代的步进系统已 完全不是过去的步进系统。 定位驱动装置已经过 “步 进—直流伺服—交流伺服”再度回到步进系统。 步 , — 55 — 图 1系统方框图 微电机2002 年第 35 卷第 4 期 ( 总第 127 期) 进系统的回归源自于其无需反馈就形成了开环控制 系统, 使系统结构大大简化、 使用维护更加方便、 工 作可靠, 在一般使用场合具有足够高的精度等特点。 步进电动机还有下列优点: ①步距值不受各种 干扰因素的影响。 如电压的大小、 电流的数值、 波形 及温度的变化等, 相对来说都不影响步距值。 也就是 说, 转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率, 而 转子运动的总位移量则取决于总的脉冲信号数。 ② 误差不积累。 步进电动机每走一步所转过的角度 ( 实 际步距值) 与理论步距值之间总有一定的误差, 从某 一步到任何一步, 也就是走任意步数以后, 也总有一 定的误差。 但因每转一圈的累积误差为零, 所以步距 的误差不是积累的。③控制性能好。起动、 转向及其 他任何运行方式的改变, 都在少数脉冲内完成。 在一 定的频率范围内运行时, 任何运行方式都不会丢失 一步的。 由于步进电动机有上述特点和优点而广泛应用 在机械、 治金、 电力、 纺织、 电信、 电子、 仪表、 化工、 轻 工、 办公自动化设、 医疗、 印刷以及航空航天、 船 舶、 兵器、 核工业等国防工业等领域。 例如机械行业 中, 在数控机床上的应用, 可以算是典型的例子。 可 以说步进电动机是经济型数控机床的核心。 而由步 进系统实现开环控制, 使得改变加工对象快捷、 系统 调试方便、 工作可靠、 成本较低的数控机床成为当前 机床发展的主要方向之一。 其它行业中应用实例有 如: 印刷机械、 包装机械、 梭织机、 电脑绣花机、 钟表、 户外自动广告牌、 自动移靶机、 计算机外设、 自动绘 图仪、 吸脂机等。 4步进电动机装置的选用 411步进电动机的种类 步进电动机按其结构分为: ①电磁式步进电动 机。②永磁式步进电动机。③混合式步进电动机 ( 感 应子式永磁步进电动机) 。 ④反应式步进电动机 ( 磁 阻式步进电动机) 。⑤印刷绕组步进电动机。⑥直线 步进电动机。 ⑦滚切式步进电动机。 ⑧机械谐波式 步进电动机。 ⑨章动传动步进电动机。 β 交流感应 κ 式步进电动机。 现在我国常用的是反应式步进电动机 (BC 或 近 B F 系列) 和混合式步进电动机 (B YG 系列) 两种。 — 56 — 几年, 随着对直线步进电动机需求的显现, 直线步进 电动机商品也已初露端倪。 412步进电动机的主要技术指标 41211步距角 步距角是每给一个脉冲信号电机转子所转角度 ( 理论值或平均值) , 等于 360°( 步 r ) 。 目前国产商品化步进电动机, 如西安微电机研 究所 ( 简称西微所) 的 BC 系列和 B YG 系列步进电 动 机, 常 用 步 距 角 为: 0136°016°0172°0175° 、 、 、 、 019°112°115°118°2125°316°415° 、 、 、 、 、 、 等。与之配套 41212精度 41213转距 4121311定位转矩 的驱动器均具有整步、 半步驱动功能。 半步驱动的步 距是整步驱动的 1 2。 当用户有特殊要求时还可对 上述步距角进行细分处理, 可进行 5 细分 ( 1 5 步距 角) 或 10 细分 ( 1 10 步距角) 等。 精度通常指的是步距误差。 从使用者的角 度看, 多数情况使用累积误差比较方便。 步进电动机 每转一圈的累积误差是零, 所以步进电动机产品样 本上一般不给出精度指标。 定位转矩是指绕组不通电时电磁转矩的 值, 或转角不超过一定值时的转矩。 通常反应式步进 电动机的定位转矩为零, 除非具有特殊的产生定位 转矩的装置。 混合式步进电动机具有一定的定位转 矩。 4121312静转矩 静转矩是指不改变控制绕组通电状态, 即转子 不转情况下的电磁转矩。 它是绕组内的电流及失调 角的函数。 对应于某一失调角时, 静转矩值, 称 为静转矩, 它的值取决于通电状态及绕组内电 流的值。 西微所产品样本中 “保持转矩” 一栏即这里 所讲的静转矩。 4121313动转矩 指电动机空载起动和停止均无失步的频率。 负 载时, 对于一定的电动机及一定的驱动器, 起动频率 值与负载的大小有关, 负载的大小包含负载转矩和 负载转动惯量二方面的含义。 41215运行频率 运行频率又称连续频率, 是指频率连续上升时, 电动机不失步运行的频率。 用户在选用步进电动机时, 考虑上述 5 个指标 基本能回答电气性能的要求。 另外一般产品样本中 动转矩是指转子转动情况下的输出转矩 值, 它与运行频率有关。 当然, 对于在一定频率情况 下, 静转矩越大其动转矩也就越大。 41214起动频率 起动频率又称起动频率或空载起动频率, 步进电动机的应用朱宇王伟 还会给出相电流指标, 该指标只在配套整机系统中 有电流限制时参考。 至于产品样本中给出的步进电动机的相数指 标, 大多数用户不必考虑, 自配驱动器和控制器的用 户需要参考。 目前步进电动机有二相、 三相、 四相、 五 相及六相等, 其中六相甚至更多相步进电动机鲜见。 那么为什么步进电动机要作成不同相数的呢, 因为 电动机的相数少, 则结构、 制造工艺要简单些。 小型 混合式步进电动机尤为如此。 电气性能的差别在于: 对于三相步进电动机, 两相通电与单相通电时的 大静转矩相等, 即不能依靠增加通电相数来提高转 矩, 这是三相步进电动机一个很大的缺憾。 一般, 除 了三相之外, 多相步进电动机的多相通电都能提高 输出转矩, 故一般功率较大的步进电动机 ( 称为功率 步进电动机) 都采用高于三相, 并且多相通电的分配 方式 ( 如西微所的 160BC548 型五相步进电动机是 目前国内转矩的商品化产品) 。 413步进电动机装置的选择 大程度上取决其 “矩—频” 特性曲线。 一个 “矩—频” 特性好的电机可在高的步进频率下带动负载, 从而 以少的时间对负载定位。 图 2160BC 548 步进电动机 “矩—频” 特性曲线 中可以查出, 当电动机在 600H z 时起 动, 则 起 动 转 矩 为 24Nm , 当 电 动 机 在 100H z 到 1 000H z 运行时, 电动机的动转矩为 26～ 27Nm 之 间。 而该电动机的静转矩为 30Nm 。 在使用步进电动机时, 要注意自振荡现象。 当反 应式步进电动机的控制脉冲频率连续升高达到一定 值时, 开始出现显著的振荡现象, 频率继续提高时, 振荡越来越大, 直到不能运转。 在有些情况下, 也可 能越过振荡区, 可以继续提高频率运行。 41312步进电动机驱动器的选用 步进电动机系统是典型的机电一体化系统, 设 计时需要考虑机械、 电机和驱动器等诸多因素。 对于 终端用户, 是步进电动机、 驱动器、 控制器及电 源选择一个生产商的配套产品 ( 如西微所生产的 BC (B F ) 系列反应式步进电动机或 B YG 系列混合式步 进电动机, BQ 1 系列驱动器, Y2000 或 B K 系列控制 器及相应的直流电源) , 这样能够保证配置合理、 品 质优良。 41311步进电动机的选用 常用的步进电动机有两种: 反应式和混合式。 在 电动机体积相同的条件下, 混合式步进电动机的转 矩比反应步进电动机大, 同时混合式步进电动机步 距角通常做得较小, 在工作空间受到限制又需小步 角和大转矩情况下, 多采用混合式步进电动机。 反应 式步进电动机转子的机械惯量比混合式步进电动机 的低, 因此可比更快加速, 在负载需移动相当大距离 时, 使用大步距角的反应式步进电动机可比混合式 步进电动机减少步数。 在供电切断时, 混合式步进电 动机由于有自定位转矩, 因此能保持转子的原来位 置, 而反应式步进电动机在断电时转子就处于自由 位置。 步进电动机的选择首先要考虑的是外形尺寸 ( 机座号) 、 转矩和步距角。 静转矩是主要参考指 标, 样本中该指标的给出也很直观, 但同时要考虑实 际工作点的动转矩 ( 需查看 “矩—频” 特性曲线) 。 一般动转矩小于静转矩。 电动机的性能很 步进电动机的性能在很大程度上取决于 “矩— 频” , 而其 特性 “矩—频” 特性又与驱动器有关系。 常用驱动器的驱动方式有单电压驱动、 双电压 驱动、 高低压驱动、 双极斩波恒流驱动、 升频升压驱 动、 细分驱动等。 双极斩波恒流驱动通过斩波的方法使电流无论 在低频或高频工作时都保持额定值。 它的特点是, ① 高频响应大大提高。 ②输出转矩均匀。 ③共振现象 减弱。 它缺点是, 线路较复杂, 成本相对稍高。 但这 种驱动方式是目前的主流驱动方式。 如西微所的 BQ 系列产品多采用这种驱动方式以取得优越的性 能。 细分驱动器是将步进电动机的一个步距角分成 多个步距角, 使步进电动机的分辨率大大提高, 同时 减小了步进电动机的噪声和振动。 细分驱动器多用 于要求小步距角和低噪声、 振动小的场合。 西微所的 “ 字样的是同时具有细 BQ 系列产品型号中带有 M ” 分功能的驱动器。 另外重要的一点是同一个步进电动机使用不同 的驱动器, 运行特性将有相当大的差异。 除了注意驱 动方式、 转矩、 “矩—频” 特性外, 在选择步进电动机 — 57 — 微电机2002 年第 35 卷第 4 期 ( 总第 127 期) 驱动器时, 还应注意: ①使用的电源交流还是直流。 ②驱动方式是定电压驱动还是定电流驱动。 ③输入 信号电平逻辑、 脉冲宽度。 ④输出信号电压、 电流、 激 磁序列。 5步进电动机的市场 近 30 年, 我国步进电动机的生产, 反应式步进 电动机和混合式步进电动机有很大的发展, 规格从 小到大形成系列化产品。 目前常规产品有反应式步 进电动机外经 28 160mm , 转矩 0101 30Nm ; 混 ～ ～ 合式步进电动机外径 42～ 110mm , 转 矩 011～ 18Nm 。这些电动机用途广泛, 尤其在传统产业中的 应用, 性能基本能满足国内用户的要求。 但是生产 家今后还应投入精力于上述两种电机向两端扩展, 即更小型、 更轻薄、 更大转矩、 更大步距角等, 如外经 ( 上接第 43 页) 开发也已初露端倪, 但未形成商品化和系列化, 仅处 于按用户要求研发定制阶段, 与国外产品相比尚无 竞争能力。 其它特种型步进电动机更是如此, 如滚切 式、 印刷绕组、 盘式永磁、 机械谐波式、 章动式步进电 动机等, 均未见有报道国内研发生产家。 步进电动机驱动器和控制器发展总是能很快、 很及时地满足步进电动机的发展要求。 参考文献: [ 1 ] 哈尔滨工业大学、 成都电机 1 步进电动机 [M ] 1 科 [ 2 ] 杨宜民 1 新型驱动器及其应用 [M ] 1 机械工业出版 R1 8 作者简介: 朱宇 ( 1955—) , 男, 讲师, 现任西安科技学 院计算机系计算机教研室主任, 从事计算机应用、 计算机控 制技术、 计算机网络技术的教学和研究。 小于 28mm 、 转矩大于 30Nm 的产品。 近几年, 国 内对直线步进电动机的需求逐渐增多, 对它的研究 流一样, 铜耗一样, 故用电阻法测温升可选择任何一 测温升, 应选择铜耗大的一相测温升才合理。 4 是 表 对一种 FC6- 1211, 120V 、 z 电容运转电机各绕 60H 组温升测试的比较记录。 从表 4 中可以看出, 铜耗大的主相温升, 达 相测试即可。 电容运转电机测温升, 则不能任意选择 一相测温升。 因电容运转电机主、 副相铜耗并不一 样, 铜耗大的温升高, 铜耗小的温升低。 故电容电机 冷态电流 A 114 014 表 4电容运转电机各绕组温升测试数据 t1 ℃ 电机绕组 冷态铜耗 W 5415 1015 主绕组 副绕组 主、 副串接 19 19 19 7414K, 铜耗小的副相温升, 只有 45. 6K, 相差 近 30K。 主、 副相串接测温升, 则是二者的平均温升 5412K。 可见, 电容运转电机测温升, 不能任意选择 一相测温升, 也不能主、 副相组串接测温升, 一定要 选择铜耗大的一相测温升才是真正的温升。 另外, 电容运转电机, 空载与负载主、 副相电流 变化并无一定规律。 有的电机负载后主相电流增大, 副相电流减小。 有的则相反, 负载后主相电流减小, 副相电流增大。 有的则负载后主、 副相电流同时增 大。 对于前两种情况, 电机空载时其中一相电流比负 — 58 — 载更大, 铜耗更大。 所以有的电容运转电机空载温升 很高, 有时甚至高于负载温升, 这就是有的电容运转 电机不能空载, 空载反而出现烧毁电机的现象的原 因。 直流电机长期运转后, 电刷接触变差, 接触损耗 变大, 换向器温升很高, 故出现换向器发红, 刷辫焊 锡熔脱现象。如一种永磁 24V 、 200W 直流自行车电 动机, 电枢电阻 01098 , 寿命减验初始测动态电阻为 0113 8 , 接触电阻为 0104 8。10A 运转 500h 后, 动态 电阻变为 01278 , 接触电阻为 01188。 此时的接触损 耗 P = I 2R = 102 ×0118= 18W 。这样大的损耗, 换向 器当然会出现发红等现象。 5结语 大影响。 电机实验人员, 应了解和认清这些影响, 才 能准确对电机参数进行测试。 作者简介: 张文海 ( 1941—) , 男, 高级工程师, 主要从事 微特电机实验和测试方法的研究。 2718 6515 9313 经过分析, 可以看出损耗对电机参数可造成较 学出版社, 19791 社, 19971 19 19 19 t2 ℃ 113120 35194 77176 R2 8 I1 K 7414 4516 5412
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