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步进电机基础知识


步进电机 基础知识

汪鲁见作于2015年7月24日

一、步进电机的应用场合
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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。步进电机使用在很 多设备上,如数控机床、医疗设备、纺织印刷、雕刻机、 激光打标机、激光内雕机、电子设备、剥线机、包装机械 、广告设备、贴标机、恒速应用、机器人、3D打印机等等 。

激光雕刻机

3D打印机

二、步进电机的原理及分类

补充1:

什么是单极性和双极性?

1 、单极性:不改变绕组电流的方向,只是对几个绕组依次 循环通电。比如说四相电机,有四个绕组,分别为abcd (1):AB--BC--CD--DA--AB (2 ):A--AB--B--BC--C--CD--D—DA(注: AB意为 AB 两个 绕组同时通电,类似者同) 2 、双极性:双极性不只是对几个绕组依次循环通电,而且 还要改变绕组的电流的方向。如四线双极性电机,有两个 绕组A和B,A绕的两端分别为A1、A2;B绕的两端分别为B1 、B2。 运行方式: A1→A2-----B1→B2-----A2→A1-----B2→B1----A1→A2-----

补充2
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什么是相数?

所谓“相数”,就是线圈组数。 目前常用的有二相、三 相、四相、五相步进电机。电机相数不同,其步距角也不 同。N 相步进电机有 N 个绕组。

补充3
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步距角

电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电机的步距角 为 0.9°/1.8° 、 三 相 的 为 0.75°/1.5° 、 五 相 的 为 0.36°/0.72°。N 相步进电机有 N 个绕组,这 N 个绕 组要均匀地镶嵌在定子上,因此定子的磁极数必定 是 N 的整数倍,因此,转子转一圈的步数应该是 N 的整 数倍;也就是说: 3 相步进电机转一圈的步数是 3 的整 数倍,4 相步进电机转一圈的步数是 4 的整数倍,5相步 进电机转一圈的步数是 5 的整数倍;如果步进电机的基 本步距角为 θ ,转一圈的步数是 M ,步进电机的相数 是 N 则有下述关系: θ=360/M 。 M 必 然 是 相 数 N 的整数倍。跟据以上分析可以看出,基本步距角是 不能取任意值的。

补充4
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其它分类方式

步进电机在构造上有三种主要类型

1.永磁式步进电机(PM)一般为两相,转矩和体积较小,步 进角一般为 7.5 度 或 15 度。 2.反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角 一般为 1.5 度,但噪声和振动都很大。 3.混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点,它又 分为两相和五相:两相步进角一般为 1.8 度而五相步进 角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛。 也是本次例程所选用的步进电机。

控制方式
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步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控 制器件。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 ,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。

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三、步进电机驱动芯片
A4988 步进电机驱动模块

3.1、简介
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A4988 是一款带转换器和过流保护的 DMOS 微步驱动器, 该产品可在全、半、1/4 、 1/8 及 1/16步进模式时操作双 极步进电动机,输出驱动性能可达 35V及±2A 。

转换器是A4988易于实施的关键。只要在“步进”输入中 输入一个脉冲,即可驱动电动机产生微步。无须进行相位 顺序表、高频率控制行或复杂的界面编程。A4988 界面非 常适合复杂的微处理器不可用或过载的应用。

3.2、产品特点
1、只有简单的步进和方向控制接口; 2、五个不同的步进模式:全、半、1/4、1/8和1/16; 3 、可调电位器可以调节最大电流输出,从而获得更高的步 进率; 4、过热关闭电路、欠压锁定、交叉电流保护;

3.3应用电路(和 Arduino UNO 的连接图)

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由上图可以看出:在具体的使用中我们只要控制 STEP 和 DIR就可以了,可以说很是方便;在电源供电方面器件逻 辑电压 VDD 和GND 之间我们接 Arduino 的+5V 电源端, 而电机电源 VMOT 和GND之间我们需要接 8-15V(DC);还 有关于三个模式选择端 MS1、 MS2 、MS3 我们全部接地也 就是全步进模式(转一圈要 200 个步进值或一个步进 1.8°) ,如果要求更高的精度,我们可以通过选择其他 的模式,比如我们如果选择 1/4 步进模式,那么我们电 机转一圈就要送 800 个微步才能完成。我么下面来看看 模式选择与 MS1、MS2、MS3 之间的关系 。

设置A4988驱动的步序对照表

补充1
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细分的基本概念为:步进电机通过细分驱动器的驱动,其 步距角变小了。如驱动器工作在 10 细分状态时,其步距 角只为‘电机固有步距角’的十分之一,也就是:当驱动 器工作在不细分的整步状态时,控制系统每发一个步进脉 冲,电机转动 1.8°;而用细分驱动器工作在 10 细分状 态时,电机只转动了 0.18°。细分功能完全是由驱动器 靠精确控制电机的相电流所产生的,与电机无关。

3.4 程序

四、 使用步进电机常见问题
1 、第一次使用步进电机驱动器,怎么能尽快调试到最佳状 态? 按照说明和驱动器上的标示,正确接好电源和电机后,把 驱动器调节到16细分,把信号的输出频率设置到1000HZ内 ,运行无误后在慢慢加速(提高频率)细分等。 2 、驱动器工作长时间工作外壳(散热片)比较热,正常吗 ? 正常,在常温下外壳(散热片)达到80摄氏度不会对性能 有影响,长时间大电流工作的话,你也可以通过加装风扇 或者散热片帮助散热。

3、有什么简单有效的方式确定 2相 4线步进电机四条线的定 义?
同一相的2根线是相通的,所以我们可以用万用表检测。

4 、步进电机使用时出现振动大,失步(丢步)或者是有声 不转等现象,为什么?
步进电机与普通交流电机有很大的差别,振动大或失步是常 见的现象。产生的原因和解决的方法有以下两点。 (1)控制脉冲
频率低速时是否处在共振点上(不同型号的电机共振点不一样),高速 时是否采用梯形或者其他曲线加速。
(2)驱动器 电机低速时,振动或失步,高速时正常;驱动电压过高。电机低速时 正常,高速时失步;驱动电压过低。电机长时间无发热现象(电机正 常工作时可高达 70-80℃);驱动电流小。电机工作时过热;驱动电 流大。

5 、为什么步进电机低速时可以正常运转,若高于一定速度 就无法启动并伴有啸叫声?
步进电机有一个技术参数——空载启动频率,即步进电机 在空载的情况下能够正常启动的脉冲频率。如果脉冲频率 高于该值,电机不能正常启动,可能发生失步或堵转。在 有负载的情况下,启动频率应该更低。如果要使电机达到 高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低, 然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升 到高速)。 6、步进电机控制为什么要采用梯形或其他加速方法? 步进电机起步速度根据电机不同一般在 50-250r/min,如果 希望高于此速度运转就必须先用起步以下速度起步,逐渐 加速到最高速度,运行一定距离后再逐渐减速至起步速度 以下方可停止,否则会出现高速上不去或失步的现象。常 见加速方法有分级加速、梯形加速和S型加速等。

五、使用过程注意事项
◆使用环境注意避免油污,粉尘,和腐蚀性气体。 ◆注意驱动器的通风良好。 ◆由于驱动器板不是密封的,注意不要将金属屑和粉尘等落 入其中造成电路短路。 ◆插入电源一定要注意看清正负标示,以免正负极接错烧毁 驱动器。 ◆确定连接无误后再通电测试


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