步進電機

圖1.1為兩相步進電機的工作原理，它有兩個繞組。當(dāng)一個繞組通電后，其定子磁極產(chǎn)生磁場，將轉(zhuǎn)子吸合到此磁極處。若繞組在控制脈沖的作用下，通電方向順序按照A`A→B`B→`AA→`BB 四個狀態(tài)周而復(fù)始進行變化，電機可順時針轉(zhuǎn)動；通電時序為A`A→`BB→`AA→B`B時，電機就逆時針轉(zhuǎn)動。控制脈沖每作用一次，通電方向就變化一次，使電機轉(zhuǎn)動一步，即90度。4個脈沖，電機轉(zhuǎn)動一圈。脈沖頻率越搞，電機轉(zhuǎn)動越快。

步進電機的輸出力矩與電機的有效體積、線圈匝數(shù)，磁通量、電流成正比，因此，電機有效體積越大，線圈匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。

Fig.1兩相步進電機原理圖

Fig.2 步進電機機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

步進電機構(gòu)造由轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體、轉(zhuǎn)軸、滾珠軸承），定子（繞組、定子鐵芯），前后端蓋等組成。最典型兩相混合式步進電機的定子有8個大齒，40個小齒，轉(zhuǎn)子有50個小齒；三相電機的定子有9個大齒，45個小齒，轉(zhuǎn)子有50個小齒。

步進電機的相數(shù)是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°等、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，則‘相數(shù)’將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。

不管是兩相四相，四相五線，四相六線步進電機。內(nèi)部構(gòu)造都是如此。至于究竟是四線，五線，還是六線。就要看A和~A之間，B和B~之間有沒有公共端com抽線。如果a組和b組各自有一個com端，則該步進電機六線，如果a和b組的公共端連在一起，則是5線的。

所以，要弄清步進電機如何接線，只需把a組和b組分開。用萬用表打。

四線：由于四線沒有com公共抽線，所以，a和b組是絕對絕緣的，不連通的。所以，用萬用表測，不連通的是一組。

五線：由于五線中，a和b組的公共端是連接在一起的。用萬用表測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有一根線和其他幾根線的電阻是相當(dāng)?shù)模敲?，這根線就是公共com端。對于驅(qū)動五線步進電機，公共com端不連接也是可以驅(qū)動步進電機的。

六線：a和b組的公共抽線com端是不連通的。同樣，用萬用表測電阻，發(fā)現(xiàn)其中一根線和其他兩根線阻止是一樣的，那么這根線是com端，另2根線就屬于一組。對于驅(qū)動四相六線步進電機，兩根公共com端不接先也可以驅(qū)動該步進電機的。

步進電機相關(guān)概念:

相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。

拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.

步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。

定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）

靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。

步進電機驅(qū)動:驅(qū)動步進電機，無非是給電機a和b組先輪流給連續(xù)的脈沖，步進電機就可以驅(qū)動了。

失步：電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。

閉回路步進伺服馬達特點

1.閉環(huán)系統(tǒng)

Ezi-SERVO是一項創(chuàng)新式的閉回路步進伺服馬達采用高分辨率的光學(xué)式編碼器作為回授，每25微秒的高速取樣時間追蹤位置，若有位置上的偏差可實時的修正補償位置偏差量，比如說突然負載的變動而產(chǎn)生瞬間的失步或位置誤差，這是傳統(tǒng)的步進馬達時常會發(fā)生的。本產(chǎn)品可克服以上缺失。

2. 不需補償

為了補償控制的效能在伺服系統(tǒng)里面需要不斷的調(diào)整PID GAIN以對應(yīng)負載的變動，這個程序?qū)こ處煻允欠浅５姆爆嵧瑫r也需要許多的使用經(jīng)驗，Ezi-SERVO在閉回路步進伺服控制系統(tǒng)可完全的控制這個特性，可以讓工程師很簡單的就可以達到他們所需要的效能，尤其 Ezi-SERVO非常適合在低剛性的負載 ，如皮帶及PULLEY系統(tǒng)，在使用伺服系統(tǒng)時，它們有一個共通的問題，就是要一直做補償?shù)膭幼鳌?/p>

3.不振動

跟傳統(tǒng)的伺服馬達做比較，它沒有一般伺服馬達一直要做追隨補償?shù)膭幼鳎?Ezi-SERVO是利用步進馬達的特性，當(dāng)?shù)竭_目標(biāo)位置時，Ezi-SERVO 不會再做任何補償?shù)膭幼?，此特點特點多是應(yīng)用在影像系統(tǒng)，因為影像系統(tǒng)停止時不能有抖動現(xiàn)像。

4.順暢且精確

Ezi-SERVO是一個高精密式的驅(qū)動系統(tǒng)，它使用一個高分辨率的編碼器，10000 pulse/revolution ，它不像一般的微步進驅(qū)動方式，它是使用高效能的 DSP做向量控制還有濾波控制產(chǎn)生一個非常平滑的運轉(zhuǎn)，可以控制到最微小的連波。

5.快速回應(yīng)

如同一般常見的步進馬達，Ezi-SERVO有非常好的同步性，接受命令PULSE，非?？焖俚姆磻?yīng)達到定位的動作，Ezi-SERVO的特性是使用在短距離快速定位的應(yīng)用，尤其如果是用傳統(tǒng)的伺服馬達，它接受命令之后會有一個補償?shù)难舆t時間，所以它必須等待定位完了之后，才能執(zhí)行下面一個動作，這個動作我們稱為"整定時間"。

6.高解析

位置指令可以被精密的切割。（最大10000 pulses/R）

7.高轉(zhuǎn)矩

跟一般的步進作比較，Ezi-SERVO在大部份的時間可保持較大的扭矩，可以確保在百分之百的負載之下沒有失步現(xiàn)象，然后也不需要去關(guān)注負載的偏差量。

8.高轉(zhuǎn)速

Ezi-SERVO在高速時也不會有失步現(xiàn)象，即使在百分之百的負載之下，它是時時去確認現(xiàn)在最佳的觸發(fā)角度，以達到最高扭力。

9.負載電流控制

由于驅(qū)動器的使用電流是依據(jù)它的負載做變動，所以它可以減少熱量的產(chǎn)生，改善效能。

伺服電機

伺服電機的三種控制模式：

? 速度控制方式

? 轉(zhuǎn)矩控制方式

? 位置控制方式

就伺服驅(qū)動器的響應(yīng)速度來看，轉(zhuǎn)矩模式運算量最小，驅(qū)動器對控制信號的響應(yīng)最快；位置模式運算量最大，驅(qū)動器對控制信號的響應(yīng)最慢。

     對運動中的動態(tài)性能有比較高的要求時，需要實時對電機進行調(diào)整。那么如果控制器本身的運算速度很慢（比如PLC，或低端運動控制器），就用位置方式控制。如果控制器運算速度比較快，可以用速度方式，把位置環(huán)從驅(qū)動器移到控制器上，減少驅(qū)動器的工作量，提高效率（比如大部分中高端運動控制器）；如果有更好的上位控制器，還可以用轉(zhuǎn)矩方式控制，把速度環(huán)也從驅(qū)動器上移開，這一般只是高端專用控制器才能這么干，而且，這時完全不需要使用伺服電機。

l  轉(zhuǎn)矩控制方式

轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對應(yīng)5Nm的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時電機軸輸出為2.5Nm:如果電機軸負載低于2.5Nm時電機正轉(zhuǎn)，外部負載等于2.5Nm時電機不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時電機反轉(zhuǎn)（通常在有重力負載情況下產(chǎn)生）?？梢酝ㄟ^即時的改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應(yīng)的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。
應(yīng)用主要在對材質(zhì)的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質(zhì)的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。

l  位置控制方式

位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。
應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機床、印刷機械等等。

l  速度控制方式

通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉(zhuǎn)動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉(zhuǎn)速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統(tǒng)的定位精度。

直線電機工作原理

直線電機是一種通過將封閉式磁場展開為開放式磁場，將電能直接轉(zhuǎn)化為直線運動的機械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置。

結(jié)構(gòu)

直線電機的結(jié)構(gòu)可以看作是將一臺旋轉(zhuǎn)電機沿徑向剖開[見Fig.3所示]，并將電機的圓周展開成直線而形成的。其中定子相當(dāng)于直線電機的初級，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線電機的次級，當(dāng)初級通入電流后，在初次級之間的氣隙中產(chǎn)生行波磁場，在行波磁場與次級永磁體的作用下產(chǎn)生驅(qū)動力，從而實現(xiàn)運動部件的直線運動。近幾年來，世界上一些發(fā)達國家開始將直線電機技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控機床直線運動驅(qū)動系統(tǒng)中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的伺服電機+滾珠絲桿副驅(qū)動系統(tǒng)，取得了巨大的成功。

Fig.3 旋轉(zhuǎn)電機沿徑向剖開圖示

直線電機和傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機+滾珠絲桿運動系統(tǒng)的比較

在機床進給系統(tǒng)中，采用直線電動機直接驅(qū)動與原旋轉(zhuǎn)電機傳動的最大區(qū)別是取消了從電機到工作臺（拖板）之間的機械傳動環(huán)節(jié)，把機床進給傳動鏈的長度縮短為零，因而這種傳動方式又被稱為“零傳動”。正是由于這種“零傳動”方式，帶來了原旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動方式無法達到的性能指標(biāo)和優(yōu)點。

1.     高速響應(yīng)

由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時間常數(shù)較大的機械傳動件（如絲桿等），使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能大打提高，反應(yīng)異常靈敏快捷。

2.     精度

直線驅(qū)動系統(tǒng)取消了由于絲桿等機械機構(gòu)產(chǎn)生的傳動間隙和誤差，減小了插補運動時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，即可大大提高機床的定位精度。

3.     動剛度高

由于“直接驅(qū)動”，避免了啟動、變速和換向時因中間傳動環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后現(xiàn)象，同時也提高了其傳動剛度。

4.     速度快、加減速過程短

由于直線電機最早用于磁懸浮列車（時速可達500Km/h），所以用在機床進給驅(qū)動中，要滿足其超高速切削的最大進給速度（要求達到60~100m/min或更高）當(dāng)然是沒有問題的。也由于上述“零傳動”的高速響應(yīng)性，使其加減速過程大大縮短。以實現(xiàn)啟動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間準(zhǔn)確停止下來?？色@得較高的加減速度，一般可達2～10g（g=9.8m/s2），而滾柱絲桿傳動的最大加速度一般只有0.1~0.5g。

5.     行程長度不受限制

在導(dǎo)軌上通過串聯(lián)直線電機，就可以無限延長其行程長度。

6.     運動安靜、噪音低

由于取消了傳動絲桿等部件的機械摩擦，且導(dǎo)軌又可以采用滾動導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)軌（無機械接觸），其運動時噪音將大大降低。

7.     效率高

由于無中間傳動環(huán)節(jié)，消除了機械摩擦?xí)r的能量損耗，其傳動效率大大提高。

直線電機和傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機的比較見表1-1所示：

表1-1直線電機和傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機的比較