雷赛步进电机驱动器接线常见问题分析

  本文主要是关于雷赛步进电机的相关介绍,并着重对雷赛步进电机驱动器接线常见问题进行了详尽的阐述。

  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电机,是现代数字程序控制系统中的主要执行元件,应用极为广泛。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,新能源电机企业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。步进电机是一种感应电机,它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流,用这种电流为步进电机供电,步进电机才能正常工作,驱动器就是为步进电机分时供电的,多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能像普通的直流电机,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。步进电机作为执行元件,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。

  步进电机又称为脉冲电机,基于最基本的电磁铁原理,它是一种可以自由回转的电磁铁,其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。其原始模型是起源于年至年间。年前后开始以控制为目的的尝试,应用于氢弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机。二十世纪初,在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。由于西方资本主义列强争夺殖民地,步进电机在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中得到了广泛的使用。二十世纪五十年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上,对于数字化的控制变得更为容易。到了八十年代后,由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现,步进电机的控制方式更加灵活多样。 [1]

  步进电机相对于其它控制用途电机的最大区别是,它接收数字控制信号电脉冲信号并转化成与之相对应的角位移或直线位移,它本身就是一个完成数字模式转化的执行元件。而且它可开环位置控制,输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量,这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流控制系统相比,其成本明显减低,几乎不必进行系统调整。步进电机的角位移量与输入的脉冲个数严格成正比,而且在时间上与脉冲同步。因而只要控制脉冲的数量、频率和电机绕组的相序,即可获得所需的转角、速度和方向。 [1]

  我国的步进电机在二十世纪七十年代初开始起步,七十年代中期至八十年代中期为成品发展阶段,新品种和高性能电机不断开发,目前,随着科学技术的发展,特别是永磁材料、半导体技术、计算机技术的发展,使步进电机在众多领域得到了广泛应用。

  作为一种控制用的特种电机,步进电机无法直接接到直流或交流电源上工作,必须使用专用的驱动电源步进电机驱动器。在微电子技术,特别计算机技术发展以前,控制器脉冲信号发生器完全由硬件实现,控制系统采用单独的元件或者集成电路组成控制回路,不仅调试安装复杂,要消耗大量元器件,而且一旦定型之后,要改变控制方案就一定要重新设计电路。这就使得需要针对不同的电机开发不同的驱动器,开发难度和开发成本都很高,控制难度较大,限制了步进电机的推广。 [1]

  由于步进电机是一个把电脉冲转换成离散的机械运动的装置,具有很好的数据控制特性,因此,计算机成为步进电机的理想驱动源,新能源电机企业随着微电子和计算机技术的发展,软硬件结合的控制方式成为了主流,即通过程序产生控制脉冲,驱动硬件电路。单片机通过软件来控制步进电机,更好地挖掘出了电机的潜力。因此,用单片机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势,也符合数字化的时代趋。 [1]

  步进电机从其结构形式上可分为反应式步进电机(Variable Reluctance,VR)、永磁式步进电机Permanent Magnet,PM)、混合式步进电机(Hybrid Stepping,HS)、单相步进电机、平面步进电机等多种类型,在我国所采用的步进电机中以反应式步进电机为主。步进电机的运行性能与控制方式有密切的关系,步进电机控制系统从其控制方式来看,可以分为以下三类:开环控制系统、闭环控制系统、半闭环控制系统。半闭环控制系统在实际应用中一般归类于开环或闭环系统中。 [1]

  反应式:定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小,可达1.2、但动态性能差、效率低、发热大,可靠性难保证。

  永磁式:永磁式步进电机的转子用永磁材料制成,转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大,但这种电机精度差,步矩角大(一般为7.5或15)。

  混合式:混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点,其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料,转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好,步距角小,但结构复杂、成本相对较高。

  按定子上绕组来分,共有二相、三相和五相等系列。最受欢迎的是两相混合式步进电机,约占97%以上的市场份额,其原因是性价比高,配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步距角为1.8/步,配上半步驱动器后,步距角减少为0.9,配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍(0.007/微步)。由于摩擦力和制造精度等原因,实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。

  进电机的主要参数之一。负载大时,需采用大力矩电机。力矩指标大时,电机外形也大。

  判断电机运转速度:转速要求高时,应选相电流较大、电感较小的电机,以增加功率输入。且在选择驱动器时采用较高供电电压。

  通常电机的转子为永磁体,当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲,电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序,电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

  通常见到的各类电机,内部都是有铁芯和绕组线圈的。绕组有电阻,通电会产生损耗,损耗大小与电阻和电流的平方成正比,这就是我们常说的铜损,如果电流不是标准的直流或正弦波,还会产生谐波损耗;铁心有磁滞涡流效应,在交变磁场中也会产生损耗,其大小与材料,电流,频率,电压有关,这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来,从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出,效率比较低,电流一般比较大,且谐波成分高,电流交变的频率也随转速而变化,因而步进电机普遍存在发热情况,且情况比一般交流电机严重。

  人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。随着嵌入式系统(例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等)的日益流行,步进电机的使用也开始暴增。不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业中,只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置,步进电机就一定能派上用场。步进电机有许多种形状和尺寸,但不论形状和尺寸如何,它们都可以归为两类:可变磁阻步进电机和永磁步进电机。

  步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下,一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管,而在电机中,绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。

  正因为步进电机的广泛应用,对步进电机的控制的研究也越来越多,在启动或加速时如果步进脉冲变化太快,转子由于惯性而跟随不上电信号的变化,产生堵转或失步在停止或减速时由于同样原因则可能产生超步。为防止堵转、失步和超步,提高工作频率,要对步进电机进行升降速控制。

  步进电机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。其角速度与脉冲频率成正比,而且在时间上与脉冲同步。因而在转子齿数和运行拍数一定的情况下,只要控制脉冲频率即可获得所需速度。由于步进电机是借助它的同步力矩而启动的,为了不发生失步,启动频率是不高的。特别是随着功率的增加,转子直径增大,惯量增大,启动频率和最高运行频率可能相差十倍之多。 [1]

  步进电机的起动频率特性使步进电机启动时不能直接达到运行频率,而要有一个启动过程,即从一个低的转速逐渐升速到运行转速。停止时运行频率不能立即降为零,而要有一个高速逐渐降速到零的过程。

  步进电机的输出力矩随着脉冲频率的上升而下降,启动频率越高,启动力矩就越小,带动负载的能力越差,启动时会造成失步,而在停止时又会发生过冲。要使步进电机快速的达到所要求的速度又不失步或过冲,其关键在于使加速过程中,加速度所要求的力矩既能充分利用各个运行频率下步进电机所提供的力矩,又不能超过这个力矩。因此,步进电机的运行一般要经过加速、匀速、减速三个阶段,要求加减速过程时间尽量的短,恒速时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中,从起点到终点运行的时间要求最短,这就必须要求加速、减速的过程最短,而恒速时的速度最高。 [1]

  国内外的科技工作者对步进电机的速度控制技术进行了大量的研究,建立了多种加减速控制数学模型,如指数模型、线性模型等,并在此基础上设计开发了多种控制电路,改善了步进电机的运动特性,推广了步进电机的应用范围指数加减速考虑了步进电机固有的矩频特性,既能保证步进电机在运动中不失步,又充分发挥了电机的固有特性,缩短了升降速时间,但因电机负载的变化,很难实现而线性加减速仅考虑电机在负载能力范围的角速度与脉冲成正比这一关系,不因电源电压、负载环境的波动而变化的特性,这种升速方法的加速度是恒定的,其缺点是未充分考虑步进电机输出力矩随速度变化的特性,步进电机在高速时会发生失步。 [1]

  步进电机由于受到自身制造工艺的限制,如步距角的大小由转子齿数和运行拍数决定,但转子齿数和运行拍数是有限的,因此步进电机的步距角一般较大并且是固定的,步进的分辨率低、缺乏灵活性、在低频运行时振动,噪音比其他微电机都高,使物理装置容易疲劳或损坏。这些缺点使步进电机只能应用在一些要求较低的场合,对要求较高的场合,只能采取闭环控制,增加了系统的复杂性,这些缺点严重限制了步进电机作为优良的开环控制组件的有效利用。细分驱动技术在一定程度上有效地克服了这些缺点。 [1]

  步进电机细分驱动技术是年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动技术。年美国学者、首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出步进电机步距角细分的控制方法。在其后的二十多年里,步进电机细分驱动得到了很大的发展。逐步发展到上世纪九十年代完全成熟的。我国对细分驱动技术的研究,起步时间与国外相差无几。 [1]

  在九十年代中期的到了较大的发展。主要应用在工业、新能源电机企业航天、机器人、精密测量等领域,如跟踪卫星用光电经纬仪、军用仪器、通讯和雷达等设备,细分驱动技术的广泛应用,使得电机的相数不受步距角的限制,为产品设计带来了方便。目前在步进电机的细分驱动技术上,采用斩波恒流驱动,仪脉冲宽度调制驱动、电流矢量恒幅均匀旋转驱动控制止,,几大大提高步进电机运行运转精度,使步进电机在中、小功率应用领域向高速且精密化的方向发展。 [1]

  最初,对步进电机相电流的控制是由硬件来实现的,通常采用两种方法,采用多路功率开关电流供电,在绕组上进行电流叠加,这种方法使功率管损耗少,但由于路数多,所以器件多,体积大。

  先对脉冲信号叠加,再经功率管线性放大,获得阶梯形电流,优点是所用器件少,但功率管功耗大,系统功率低,如果管子工作在非线性区会引起失真、由于本身不可克服的缺点,因此目前已很少采用这两类方法。

  电机A+、A-为同一组线圈,同一组线圈并接一起会锁轴,这是确定同一线圈最直接的方法。两个端子只是一个命名,影响的只是电机的转动方向,如果要分别出只能通过电机标签或者上电看转动方向。

  对于两相电机,只需将其中一相的电机线交换接入驱动器即可,如A+和A-交换。

  对于三相电机,将相邻两相的电机线交换, 如:A,B,C三相,交换A,B两相就可

  当脱机信号FREE为低电平时,驱动器输出到电机的电流被切断,电机转子处于自由状态(脱机状态)。在有些自动化设备中,如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴(手动方式),就可以将FREE信号置低,使电机脱机,进行手动操作或调节。手动完成后,再将FREE信号置高,以继续自动控制。

  确定驱动器的供电电压,然后确定工作电流;供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源,电源电流一般可取I的1.1~1.3倍;如果采用开关电源,电源电流一般可取I 的1.5~2.0倍。

  步进电机驱动器,都是宽压输入,输入电压很大的范围可以选择;电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快,那么电压取值也高,但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压,否则可能损坏驱动器。如果选择较低的电压有利于步机电机的平稳运行,振动小。

  细分也叫微步,主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动,提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对步进角为1.8?的两相混合式步进电机,如果细分驱动器的细分数设置为4,那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45?,电机的精度能否达到或接近0.45?,还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大;细分数越大精度越难控制。

  当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。

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