步進(jìn)電機(jī)

圖1.1為兩相步進(jìn)電機(jī)的工作原理，它有兩個(gè)繞組。當(dāng)一個(gè)繞組通電后，其定子磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)，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(gè)狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，電機(jī)可順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；通電時(shí)序?yàn)锳`A→`BB→`AA→B`B時(shí)，電機(jī)就逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂泼}沖每作用一次，通電方向就變化一次，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即90度。4個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。脈沖頻率越搞，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越快。

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

Fig.1兩相步進(jìn)電機(jī)原理圖

Fig.2 步進(jìn)電機(jī)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的定子有8個(gè)大齒，40個(gè)小齒，轉(zhuǎn)子有50個(gè)小齒；三相電機(jī)的定子有9個(gè)大齒，45個(gè)小齒，轉(zhuǎn)子有50個(gè)小齒。

步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)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(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)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(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則‘相數(shù)’將變得沒(méi)有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?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(jìn)電機(jī)。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(méi)有公共端com抽線。如果a組和b組各自有一個(gè)com端，則該步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)如何接線，只需把a(bǔ)組和b組分開(kāi)。用萬(wàn)用表打。

四線：由于四線沒(méi)有com公共抽線，所以，a和b組是絕對(duì)絕緣的，不連通的。所以，用萬(wàn)用表測(cè)，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(wàn)用表測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有一根線和其他幾根線的電阻是相當(dāng)?shù)?，那么，這根線就是公共com端。對(duì)于驅(qū)動(dòng)五線步進(jìn)電機(jī)，公共com端不連接也是可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的。

六線：a和b組的公共抽線com端是不連通的。同樣，用萬(wàn)用表測(cè)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(duì)于驅(qū)動(dòng)四相六線步進(jìn)電機(jī)，兩根公共com端不接先也可以驅(qū)動(dòng)該步進(jìn)電機(jī)的。

步進(jìn)電機(jī)相關(guān)概念:

相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。

拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)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(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.

步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用θ表示。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱(chēng)整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱(chēng)半步）。

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

靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng):驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，無(wú)非是給電機(jī)a和b組先輪流給連續(xù)的脈沖，步進(jìn)電機(jī)就可以驅(qū)動(dòng)了。

失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。

閉回路步進(jìn)伺服馬達(dá)特點(diǎn)

1.閉環(huán)系統(tǒng)

Ezi-SERVO是一項(xiàng)創(chuàng)新式的閉回路步進(jìn)伺服馬達(dá)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(shí)間追蹤位置，若有位置上的偏差可實(shí)時(shí)的修正補(bǔ)償位置偏差量，比如說(shuō)突然負(fù)載的變動(dòng)而產(chǎn)生瞬間的失步或位置誤差，這是傳統(tǒng)的步進(jìn)馬達(dá)時(shí)常會(huì)發(fā)生的。本產(chǎn)品可克服以上缺失。

2. 不需補(bǔ)償

為了補(bǔ)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(duì)應(yīng)負(fù)載的變動(dòng)，這個(gè)程序?qū)こ處煻允欠浅５姆爆嵧瑫r(shí)也需要許多的使用經(jīng)驗(yàn)，Ezi-SERVO在閉回路步進(jìn)伺服控制系統(tǒng)可完全的控制這個(gè)特性，可以讓工程師很簡(jiǎn)單的就可以達(dá)到他們所需要的效能，尤其 Ezi-SERVO非常適合在低剛性的負(fù)載 ，如皮帶及PULLEY系統(tǒng)，在使用伺服系統(tǒng)時(shí)，它們有一個(gè)共通的問(wèn)題，就是要一直做補(bǔ)償?shù)膭?dòng)作。

3.不振動(dòng)

跟傳統(tǒng)的伺服馬達(dá)做比較，它沒(méi)有一般伺服馬達(dá)一直要做追隨補(bǔ)償?shù)膭?dòng)作， Ezi-SERVO是利用步進(jìn)馬達(dá)的特性，當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)位置時(shí)，Ezi-SERVO 不會(huì)再做任何補(bǔ)償?shù)膭?dòng)作，此特點(diǎn)特點(diǎn)多是應(yīng)用在影像系統(tǒng)，因?yàn)橛跋裣到y(tǒng)停止時(shí)不能有抖動(dòng)現(xiàn)像。

4.順暢且精確

Ezi-SERVO是一個(gè)高精密式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它使用一個(gè)高分辨率的編碼器，10000 pulse/revolution ，它不像一般的微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)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(gè)非常平滑的運(yùn)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(jiàn)的步進(jìn)馬達(dá)，Ezi-SERVO有非常好的同步性，接受命令PULSE，非?？焖俚姆磻?yīng)達(dá)到定位的動(dòng)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(dá)，它接受命令之后會(huì)有一個(gè)補(bǔ)償?shù)难舆t時(shí)間，所以它必須等待定位完了之后，才能執(zhí)行下面一個(gè)動(dòng)作，這個(gè)動(dòng)作我們稱(chēng)為"整定時(shí)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(jìn)作比較，Ezi-SERVO在大部份的時(shí)間可保持較大的扭矩，可以確保在百分之百的負(fù)載之下沒(méi)有失步現(xiàn)象，然后也不需要去關(guān)注負(fù)載的偏差量。

8.高轉(zhuǎn)速

Ezi-SERVO在高速時(shí)也不會(huì)有失步現(xiàn)象，即使在百分之百的負(fù)載之下，它是時(shí)時(shí)去確認(rèn)現(xiàn)在最佳的觸發(fā)角度，以達(dá)到最高扭力。

9.負(fù)載電流控制

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

伺服電機(jī)

伺服電機(jī)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(dòng)器的響應(yīng)速度來(lái)看，轉(zhuǎn)矩模式運(yùn)算量最小，驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)最快；位置模式運(yùn)算量最大，驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)最慢。

     對(duì)運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)性能有比較高的要求時(shí)，需要實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。那么如果控制器本身的運(yùn)算速度很慢（比如PLC，或低端運(yùn)動(dòng)控制器），就用位置方式控制。如果控制器運(yùn)算速度比較快，可以用速度方式，把位置環(huán)從驅(qū)動(dòng)器移到控制器上，減少驅(qū)動(dòng)器的工作量，提高效率（比如大部分中高端運(yùn)動(dòng)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(dòng)器上移開(kāi)，這一般只是高端專(zhuān)用控制器才能這么干，而且，這時(shí)完全不需要使用伺服電機(jī)。

l  轉(zhuǎn)矩控制方式

轉(zhuǎn)矩控制方式是通過(guò)外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來(lái)設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對(duì)應(yīng)5Nm的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時(shí)電機(jī)軸輸出為2.5Nm:如果電機(jī)軸負(fù)載低于2.5Nm時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于2.5Nm時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)（通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生）?？梢酝ㄟ^(guò)即時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來(lái)改變?cè)O(shè)定的力矩大小，也可通過(guò)通訊方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。
應(yīng)用主要在對(duì)材質(zhì)的受力有嚴(yán)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(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì)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(guò)外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過(guò)通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對(duì)速度和位置都有很?chē)?yán)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(jī)床、印刷機(jī)械等等。

l  速度控制方式

通過(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào)，此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號(hào)就由直接的最終負(fù)載端的檢測(cè)裝置來(lái)提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過(guò)程中的誤差，增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。

直線電機(jī)工作原理

直線電機(jī)是一種通過(guò)將封閉式磁場(chǎng)展開(kāi)為開(kāi)放式磁場(chǎng)，將電能直接轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。

結(jié)構(gòu)

直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以看作是將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開(kāi)[見(jiàn)Fig.3所示]，并將電機(jī)的圓周展開(kāi)成直線而形成的。其中定子相當(dāng)于直線電機(jī)的初級(jí)，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線電機(jī)的次級(jí)，當(dāng)初級(jí)通入電流后，在初次級(jí)之間的氣隙中產(chǎn)生行波磁場(chǎng)，在行波磁場(chǎng)與次級(jí)永磁體的作用下產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件的直線運(yùn)動(dòng)。近幾年來(lái)，世界上一些發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始將直線電機(jī)技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的伺服電機(jī)+滾珠絲桿副驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，取得了巨大的成功。

Fig.3 旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開(kāi)圖示

直線電機(jī)和傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲桿運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的比較

在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與原旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)的最大區(qū)別是取消了從電機(jī)到工作臺(tái)（拖板）之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，因而這種傳動(dòng)方式又被稱(chēng)為“零傳動(dòng)”。正是由于這種“零傳動(dòng)”方式，帶來(lái)了原旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。

1.     高速響應(yīng)

由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的機(jī)械傳動(dòng)件（如絲桿等），使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)取消了由于絲桿等機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的傳動(dòng)間隙和誤差，減小了插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)因傳動(dòng)系統(tǒng)滯后帶來(lái)的跟蹤誤差。通過(guò)直線位置檢測(cè)反饋控制，即可大大提高機(jī)床的定位精度。

3.     動(dòng)剛度高

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

4.     速度快、加減速過(guò)程短

由于直線電機(jī)最早用于磁懸浮列車(chē)（時(shí)速可達(dá)500Km/h），所以用在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中，要滿足其超高速切削的最大進(jìn)給速度（要求達(dá)到60~100m/min或更高）當(dāng)然是沒(méi)有問(wèn)題的。也由于上述“零傳動(dòng)”的高速響應(yīng)性，使其加減速過(guò)程大大縮短。以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)瞬間達(dá)到高速，高速運(yùn)行時(shí)又能瞬間準(zhǔn)確停止下來(lái)?？色@得較高的加減速度，一般可達(dá)2～10g（g=9.8m/s2），而滾柱絲桿傳動(dòng)的最大加速度一般只有0.1~0.5g。

5.     行程長(zhǎng)度不受限制

在導(dǎo)軌上通過(guò)串聯(lián)直線電機(jī)，就可以無(wú)限延長(zhǎng)其行程長(zhǎng)度。

6.     運(yùn)動(dòng)安靜、噪音低

由于取消了傳動(dòng)絲桿等部件的機(jī)械摩擦，且導(dǎo)軌又可以采用滾動(dòng)導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)軌（無(wú)機(jī)械接觸），其運(yùn)動(dòng)時(shí)噪音將大大降低。

7.     效率高

由于無(wú)中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，消除了機(jī)械摩擦?xí)r的能量損耗，其傳動(dòng)效率大大提高。

直線電機(jī)和傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的比較見(jiàn)表1-1所示：

表1-1直線電機(jī)和傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的比較