步進(jìn)電機是一種將數字脈沖信號轉化為角位移的執行機構。當步進(jìn)驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅動(dòng)步進(jìn)電機按設定的方向轉動(dòng)一個(gè)固定的角度即步距角。

 

 

 

圖二:雷賽CM系列步進(jìn)電機

 

2.1 步進(jìn)電機參數介紹

 

保持轉矩：步進(jìn)電機繞組通額定電流但沒(méi)有轉動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉子的力矩，一般在轉速小于1r/s時(shí)步進(jìn)電機輸出力矩近似于保持轉矩。

 

矩頻曲線(xiàn)：描述電機轉矩和轉速關(guān)系的曲線(xiàn)。

 

 

 

圖三：雷賽相同轉矩57機座開(kāi)環(huán)步進(jìn)和閉環(huán)電機轉矩對比

 

 

 

圖四：相同轉矩86機座開(kāi)環(huán)步進(jìn)和閉環(huán)電機轉矩對比

 

 

 

備注：步進(jìn)電機電壓平衡方程式：U=E+IR，供電電壓U，電機反電動(dòng)勢E，繞組電流I，繞組電阻R。電機轉速越高反電動(dòng)勢越大，能流入電機繞組的電流越小，導致電機力矩越小。

 

轉子慣量：步進(jìn)電機轉子旋轉慣量，負載慣量最大不宜超過(guò)電機轉子慣量5倍。

 

步距角：整步下一個(gè)脈沖信號步進(jìn)電機轉過(guò)的角度。一般兩相混合式步進(jìn)電機步距角是1.8°，三相混合步進(jìn)電機步距角是1.2°，五相混合步進(jìn)電機步距角是0.72°。

 

 

 

2.2 步進(jìn)電機結構

 

 

 

 

 

 

圖五：步進(jìn)電機內部結構

 

 

 

2.3步進(jìn)電機接線(xiàn)方式

 

 

 

圖六：步進(jìn)電機接線(xiàn)方式

 

 

 

a)  四線(xiàn)電機：輸出電流設成等于或略小于電機額定電流值；

 

b)  六線(xiàn)電機高力矩模式：輸出電流設成電機單極性接法額定電流的50%；

 

c)  六線(xiàn)電機高速模式：輸出電流設成電機單極性接法額定電流的100% ；

 

d)  八線(xiàn)電機并聯(lián)接法：輸出電流可設成電機單極性接法額定電流的140% ；

 

e)  八線(xiàn)電機串聯(lián)接法：輸出電流可設成電機單極性接法額定電流的70%。

 

 

 

2.4步進(jìn)電機特點(diǎn)

低速力矩大，轉矩會(huì )隨著(zhù)轉速的提高而降低，一般在800rpm以上力矩下降加快，精度是步距角的3%~5%，整圈沒(méi)有累積誤差，兩相混合步進(jìn)電機精度為0.18°；步進(jìn)電機采用開(kāi)環(huán)控制，系統響應性快，無(wú)過(guò)沖和整定時(shí)間，停止時(shí)電機軸無(wú)微振動(dòng)。步進(jìn)電機存在低頻共振，第一個(gè)共振點(diǎn)的轉速大約是1r/s。步進(jìn)電機是恒電流控制，發(fā)熱和噪音較大，同時(shí)沒(méi)有過(guò)載能力，電機力不夠就會(huì )堵轉，故選型時(shí)應預留1.4-2倍安全系數。步進(jìn)電機及驅動(dòng)器使用便捷無(wú)需復雜的調試就能使用。

 

 

 

3閉環(huán)步進(jìn)

 

 本體是步進(jìn)電機，增加位置反饋器件（光電編碼器或磁編碼器），運用類(lèi)似伺服電機的控制方法形成的閉環(huán)控制系統。

 

 

 

 

 

圖七：雷賽CL系列閉環(huán)步進(jìn)的3D和實(shí)物圖

 

 

3.1閉環(huán)步進(jìn)重要參數

 

編碼器精度：電機轉一圈編碼器反饋到驅動(dòng)器的脈沖個(gè)數，影響閉環(huán)步進(jìn)精度。閉環(huán)步進(jìn)常規編碼器線(xiàn)數有1000線(xiàn)、2500線(xiàn)、5000線(xiàn)。以5000線(xiàn)為例，它的分辨率為360°/(4*5000)=0.018° ，精度高于開(kāi)環(huán)控制的步進(jìn)電機。

 

矩頻曲線(xiàn)：描述電機轉矩和轉速關(guān)系的曲線(xiàn)。

 

位置誤差：指令位置和編碼器反饋位置之間的差值。位置誤差過(guò)大驅動(dòng)器會(huì )報超差報警。

 

 

 

3.2閉環(huán)步進(jìn)原理框圖

 

圖八：閉環(huán)步進(jìn)原理框圖

 

 

 

3.3 閉環(huán)步進(jìn)的特點(diǎn)

 

閉環(huán)步進(jìn)根據負載大小自動(dòng)調節繞組電流大小，發(fā)熱和振動(dòng)小于開(kāi)環(huán)步進(jìn)，有編碼器反饋所以精度高于普通步進(jìn)電機，電機響應比開(kāi)環(huán)步進(jìn)慢，運行過(guò)程中存在位置誤差，誤差會(huì )在指令停止后數毫秒逐漸降低。高速力矩比開(kāi)環(huán)步進(jìn)大，常見(jiàn)應用在0-1500rpm場(chǎng)合。做插補機械剛性不足（皮帶結構）且負載慣量較大時(shí)，會(huì )因為位置跟蹤誤差大導致偏位。小部分閉環(huán)步進(jìn)需要簡(jiǎn)單的調試才能使用。

 

 

 

4交流伺服

 

伺服系統是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統。位置模式下伺服電機靠脈沖來(lái)定位，伺服電機接收到1個(gè)脈沖，就會(huì )旋轉1個(gè)脈沖對應的角度。同時(shí)伺服電機編碼器具備反饋功能，伺服電機每旋轉一個(gè)角度，編碼器都會(huì )發(fā)出對應數量的反饋脈沖，反饋脈沖和伺服驅動(dòng)器接收的脈沖形成閉環(huán)控制，這樣伺服驅動(dòng)器就能夠很精確的控制電機的轉動(dòng)，從而實(shí)現精確的定位。

 

 

圖九：雷賽L5系列交流伺服產(chǎn)品實(shí)物圖  

 

 

4.1伺服電機重要參數

 

額定轉速：電動(dòng)機輸出最大連續轉矩（額定轉矩）、以額定功率運行時(shí)的轉速。

 

額定轉矩：是指電機能夠連續安全輸出的轉矩大小，在環(huán)境溫度為25 °C時(shí)，在該轉矩下連續運行，電動(dòng)機繞組溫度和驅動(dòng)器功率器件溫度不會(huì )超過(guò)最高允許溫度，電動(dòng)機或驅動(dòng)器不會(huì )損壞。

 

最大轉矩：電動(dòng)機所能輸出的最大轉矩。在最大轉矩下短時(shí)工作不會(huì )引起電機損壞或性能不可恢復。

 

最大電流：伺服短時(shí)間工作允許通過(guò)的最大電流，一般為額定電流的3倍。

 

最高轉速：電機短時(shí)間工作的最高轉速，最高轉速電機力矩下降，電機發(fā)熱量更大。

 

轉子慣量J：伺服電機轉子旋轉慣量單位kgcm^2，一般負載慣量最大不超過(guò)20倍電機轉子慣量。

 

編碼器線(xiàn)數：電機轉一圈編碼器反饋到驅動(dòng)器的脈沖個(gè)數，影響閉環(huán)步進(jìn)精度。伺服常規編碼器線(xiàn)數有2500線(xiàn)、5000線(xiàn)、17位和23位編碼器。17位編碼器精度為0.0027°高于常規的步進(jìn)和閉環(huán)步進(jìn)。

 

伺服電機兩個(gè)重要公式：T=Kt*I，P=n（單位換算成弧度/秒）*T。