Omega步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器

2013/6/9 14:29:42

步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字量脈沖轉(zhuǎn)換為機(jī)械軸旋轉(zhuǎn)的無刷同步電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的每一轉(zhuǎn)均細(xì)分為若干個(gè)離散的步（許多情況下為 200 步），執(zhí)行每一步時(shí)都必須向電機(jī)發(fā)送單獨(dú)的脈沖。步進(jìn)電機(jī)每次僅能執(zhí)行一步，并且每一步的大小相同。由于每個(gè)脈沖會(huì)使電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)精確的角度（通常為 1.8°），因此無需反饋機(jī)制即可控制電機(jī)的位置。隨著數(shù)字量脈沖頻率的增加，步進(jìn)運(yùn)動(dòng)逐漸變?yōu)檫B續(xù)的旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速直接與脈沖頻率成正比。由于步進(jìn)電機(jī)具有成本低、可靠性高、低速高轉(zhuǎn)矩以及結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固等特點(diǎn)，因此適用于幾乎所有環(huán)境，在工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中得到廣泛的使用。

步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度與輸入脈沖成正比。
電機(jī)在停轉(zhuǎn)時(shí)達(dá)到滿轉(zhuǎn)矩（如果繞組已激磁）。
由于好的步進(jìn)電機(jī)每步精度在 3% 到 5% 之間，并且每步的誤差不會(huì)積累到下一步，因此有較好的位置精度和運(yùn)動(dòng)重復(fù)性。
具有極佳的起動(dòng)/停止/反轉(zhuǎn)響應(yīng)。
由于電機(jī)中無接觸電刷，可靠性極高。因此，步進(jìn)電機(jī)的使用壽命僅取決于軸承的壽命。
步進(jìn)電機(jī)對(duì)數(shù)字量輸入脈沖做出響應(yīng)，因而可實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，從而使電機(jī)結(jié)構(gòu)得到簡化并降低了控制成本。
負(fù)載直接耦合到轉(zhuǎn)軸時(shí)，可在極低速度下實(shí)現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)。
由于轉(zhuǎn)速正比于輸入脈沖的頻率，因此可實(shí)現(xiàn)較寬的轉(zhuǎn)速范圍。

步進(jìn)電機(jī)的類型

步進(jìn)電機(jī)分三種基本類型：變磁阻式、永磁式和混合式。本文主要討論混合式電機(jī)，這種電機(jī)綜合了變磁阻式電機(jī)和永磁式電機(jī)的最佳特性。混合式電機(jī)由多齒定子磁極和永磁轉(zhuǎn)子組成（請(qǐng)參見圖 A）。標(biāo)準(zhǔn)混合式電機(jī)（如 Omegamation^TM 提供的型號(hào)）有 200 個(gè)轉(zhuǎn)子齒，每步的旋轉(zhuǎn)角度為 1.8o。這種電機(jī)在極高的步速下表現(xiàn)出較高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，因此廣泛適用于各種商業(yè)應(yīng)用，包括計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器、打印機(jī)/繪圖儀以及 CD 播放器。步進(jìn)電機(jī)還可用于一些工業(yè)和科學(xué)應(yīng)用，包括機(jī)器人、機(jī)床、貼裝機(jī)、自動(dòng)切線接線機(jī)以及精準(zhǔn)流體控制設(shè)備。

步進(jìn)模式

步進(jìn)電機(jī)的“步進(jìn)模式”包括整步、半步和微步三種。任何步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)模式輸出類型都取決于驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)。 Omegamation^? 提供帶有整步/半步模式可選開關(guān)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及分辨率可由開關(guān)或軟件選擇的微步驅(qū)動(dòng)器。

整步
標(biāo)準(zhǔn)混合式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)為 200，也就是說電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)一周需要 200 個(gè)整步。 200 步除以一圈 360o 等于整步旋轉(zhuǎn)角度 1.8o。通常，通過雙繞組激磁并交替反轉(zhuǎn)電流方向，可實(shí)現(xiàn)整步模式。驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)數(shù)字量脈沖基本等同于一步。

半步
半步可以簡單地理解為步進(jìn)電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周需要 400 步。在這種模式中，將交替給兩個(gè)繞組激磁，因此轉(zhuǎn)子僅旋轉(zhuǎn)一半的距離 (0.9o)。雖然半步模式的轉(zhuǎn)矩比整步模式要小約 30%，但其實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)更為平穩(wěn)。

微步
微步模式是相對(duì)較新的一項(xiàng)電機(jī)技術(shù)，它可以更精細(xì)地控制電機(jī)繞組的電流，從而在兩極間進(jìn)一步細(xì)分出更多的位置。 Omegamation 的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器可將一個(gè)整步 (1.8o) 細(xì)分為 256 個(gè)微步，使每轉(zhuǎn)的步數(shù)達(dá)到 51,200 步（0.007o/步）。微步模式通常用于需要在較寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確定位和更平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用。與半步模式類似，微步模式的轉(zhuǎn)矩比整步模式要小約 30%。

線性運(yùn)動(dòng)控制

步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可通過絲杠/蝸輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（請(qǐng)參見圖 B）轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。絲杠的導(dǎo)程（又稱螺距）是螺絲旋轉(zhuǎn)一周經(jīng)過的直線距離。如果導(dǎo)程等于每轉(zhuǎn)一英寸并且每轉(zhuǎn)有 200 個(gè)整步，則絲杠系統(tǒng)的分辨力為每步 0.005 英寸。使用微步模式下的步進(jìn)電機(jī)/驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更為精細(xì)的分辨力。

串聯(lián)與并聯(lián)

步進(jìn)電機(jī)有兩種連接方式：串聯(lián)和并聯(lián)。串聯(lián)時(shí)的電感較高，因此可在低速時(shí)提供較高的轉(zhuǎn)矩。并聯(lián)可降低電感，從而在較高的轉(zhuǎn)速下增加轉(zhuǎn)矩。

Series connection

Parallel connection

驅(qū)動(dòng)器技術(shù)概覽

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器可從分度器或控制系統(tǒng)接收步進(jìn)和方向信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為用于運(yùn)行步進(jìn)電機(jī)的電信號(hào)。電機(jī)軸的每一步都需要一個(gè)脈沖。在整步模式下，標(biāo)準(zhǔn)的 200 步電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周需要 200 步脈沖。轉(zhuǎn)速與脈沖頻率直接成正比。某些驅(qū)動(dòng)器帶有板載振蕩器，因此可通過外部模擬量信號(hào)或操縱桿設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速。

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩性能取決于驅(qū)動(dòng)器到電機(jī)繞組的電流。抑制電流或限制繞組勵(lì)磁時(shí)間的因素稱為阻抗。由于阻抗的影響，大部分類型的驅(qū)動(dòng)器電路提供的電壓均高于電機(jī)的額定電壓。驅(qū)動(dòng)器提供的輸出電壓越高，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的比就越高。通常，驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓（總線電壓）應(yīng)高出電機(jī)額定電壓 5 至 20 倍。為了防止電機(jī)損壞，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電流不應(yīng)超過步進(jìn)電機(jī)的額定電流值。

分度器概覽

分度器（又稱控制器）可為驅(qū)動(dòng)器提供步進(jìn)和方向輸出。大部分應(yīng)用還需要分度器額外管理其它控制功能，包括加速、減速、每秒步數(shù)和距離。分度器還可收發(fā)并控制許多其它的外部信號(hào)。

與分度器的通信可通過 RS-232 串行端口（有時(shí)為 RS485 端口）實(shí)現(xiàn)。無論采用哪種端口，分度器都可從主機(jī)計(jì)算機(jī)接收高級(jí)命令并生成需要的步進(jìn)和方向脈沖發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器。

分度器包括輔助 I/O，用于監(jiān)視來自行程開關(guān)、微動(dòng)開關(guān)、原點(diǎn)開關(guān)或限位開關(guān)等外部源的輸入。它還可以通過 I/O 輸出引腳啟動(dòng)其它設(shè)備功能。

獨(dú)立操作

在獨(dú)立模式中，分度器可不依賴主機(jī)計(jì)算機(jī)而單獨(dú)工作。運(yùn)動(dòng)程序下載到非易失性存儲(chǔ)器中后，可通過多種類型的操作員界面（例如鍵盤或觸摸屏）進(jìn)行啟動(dòng)，或者也可以利用輔助 I/O 輸入通過開關(guān)進(jìn)行啟動(dòng)。獨(dú)立式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)通常都封裝有驅(qū)動(dòng)器和電源，以及可選的編碼器反饋，適用于需要失速檢測和準(zhǔn)確電機(jī)位置補(bǔ)償?shù)?/span>“閉環(huán)”應(yīng)用。

多軸控制

在許多運(yùn)動(dòng)應(yīng)用中，都需要控制多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。這種情況下可以使用多軸控制系統(tǒng)。例如，HUB 444 網(wǎng)絡(luò)集線器最多可以連接四臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器連接一臺(tái)單獨(dú)的步進(jìn)電機(jī)。網(wǎng)絡(luò)集線器可為需要高度同步的應(yīng)用（如圓弧或直線插補(bǔ)）提供運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)功能。

Figure C: Torque-Speed Curve for
3540i Stepper Drive and NEMA 23 Motor

選擇步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電機(jī)的選型取決于具體應(yīng)用對(duì)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的要求。可使用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線（可在每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)參數(shù)中找到，請(qǐng)參見圖 C 中的示例）選擇適合的電機(jī)。 Omegamation 系列的每種步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器均提供了其適用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-速度曲線。如果多種步進(jìn)電機(jī)都可滿足轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速要求，則根據(jù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的需求（步進(jìn)/方向、獨(dú)立可編程、模擬量輸入、微步）選擇合適的驅(qū)動(dòng)器，然后選擇該驅(qū)動(dòng)器適用的一臺(tái)電機(jī)。推薦電機(jī)清單是制造商為確保步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器組合具有最優(yōu)性能而進(jìn)行廣泛測試后所確定的。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的類型

步進(jìn)和方向
這些步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可接受來自控制器（如 PLC 或 PC）的步進(jìn)脈沖和方向/使能信號(hào)。每個(gè)步進(jìn)脈沖會(huì)使電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)精確的角度，脈沖的頻率決定著電機(jī)的轉(zhuǎn)速。信號(hào)方向決定著旋轉(zhuǎn)方向（CW 或 CCW），而使能信號(hào)則控制電機(jī)的起停。

振蕩器
內(nèi)置數(shù)字振蕩器的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可接受模擬量輸入或操縱桿信號(hào)來控制轉(zhuǎn)速。這些系統(tǒng)通常用在需要連續(xù)運(yùn)動(dòng)而非位置控制的應(yīng)用中，如攪拌機(jī)、混合器和分配器。

獨(dú)立可編程
所有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可通過編程實(shí)現(xiàn)獨(dú)立工作；可通過簡單的拖放式高級(jí)軟件界面（免費(fèi)提供）創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)控制程序，并在通電后下載并執(zhí)行該程序。運(yùn)動(dòng)控制程序通常將等待開關(guān)閉合或按鈕下按等輸入信號(hào)，并在收到信號(hào)后相應(yīng)執(zhí)行已編程的運(yùn)動(dòng)。

高性能
這些步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可提供自測診斷、故障保護(hù)、自整定、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)平滑、命令信號(hào)平滑和反共振算法等高級(jí)功能。某些驅(qū)動(dòng)器可獨(dú)立編程，而其它驅(qū)動(dòng)器則提供步進(jìn)/方向和模擬量輸入。高性能驅(qū)動(dòng)器將為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供最佳的性能。