text.skipToContent text.skipToNavigation

安装和使用步进电机时可能会遇到的常见问题

作者:Eric Rice • 全国营销总监——鸣志集团成员

  步进电机为自动化行业提供了一种经济高效且简单的方法来控制各种应用中的运动,例如包装设备、3D打印机、材料处理和分拣线、台式CNC机器等,许多旋转和线性定位轴都依赖于它们。 安装和使用步进电机时可能会遇到的常见问题   步进电机的性价比优势在于它们的简单性和在开环控制方案中精确定位的能力,无需从电机到控制器的任何反馈。要获得开环步进系统的最佳性能优势,需要了解如何在应用中选择和安装步进电机。 以下是新手或有经验用户很容易犯的六个常见错误。

1、步进电机的扭矩规格比在实践中看到的要高。

  在计算出应用中移动负载所需的扭矩后,用户可以根据步进电机的保持扭矩规格或速度-扭矩曲线来选择步进电机。一旦安装并连接到负载,电机就不会产生预期的扭矩量。 安装和使用步进电机时可能会遇到的常见问题   第一个错误是使用保持扭矩作为性能指标来选择步进电机。保持扭矩是电机不运动并保持位置时产生的扭矩,它通常不是电机运动时产生的扭矩的可靠指标。当步进电机开始运动时,产生的扭矩会从保持扭矩值急剧下降,即使只是几转后也是如此。随着速度的增加,扭矩进一步下降。因此,不要仅根据保持转矩来选择步进电机,还请参考已发布的速度-扭矩曲线。   第二个错误是没有理解速度-扭矩曲线的性质。速度-扭矩曲线表示步进电机失速时的扭矩,当步进电机失速时,转子与定子失去同步,轴停止转动。为确保步进电机继续转动并提供足够的扭矩来移动负载,可以通过估算安全边际来评估速度-扭矩曲线。一个简单的方法是想象一条平行于速度-扭矩曲线的线,其高度大约为已发布曲线高度的1/2到2/3。这条假想线表示步进电机可以以最小的失速风险可靠的产生扭矩量。有关这方面的更多信息,请参见图 1(步进电机的典型速度-扭矩曲线)。 步进电机的典型速度-转矩曲线 图 1 — 步进电机的典型速度-扭矩曲线。在制造商公布的数据中,仅显示了实线,表示失速扭矩与速度的关系,用户必须估算可用的扭矩范围,如虚线所示。

2、步进电机太热了,肯定有问题。

  步进电机设计为热运行,步进电机中最常用的绝缘等级是B级,其额定工作温度高达130°C。这意味着步进电机的表面温度在发生故障之前可以达到90°C或更高,因此,请将步进电机安装在远离人体能接触到的区域。   由于开环步进电机在没有任何电流反馈(或速度或位置反馈)的情况下运行,因此无论扭矩需求如何,驱动器提供的电流都是恒定的。为了从步进电机获得最大扭矩,制造商在制造它们时考虑了B级绝缘;因此,电流额定值旨在最大化扭矩输出而不会过热。最终结果是步进电机会产生很大的扭矩……但这样做也会变得很热。

3、可以使用12伏电源为步进电机和驱动器供电吗?

  对于任何类型的电机,不仅仅是步进电机,电源电压与电机速度直接相关。随着向系统提供更高的电压,电机达到更高的速度,为伺服电机直流电机指定的额定电源电压对应于其他额定规格,包括速度、扭矩和功率。如步进电机指定了额定电压,则通常不超过步进电机的绕组电阻乘以额定电流。这对于产生保持扭矩很有用,但在步进电机移动时用处很小。与所有电动机一样,当轴开始移动时,步进电动机会产生反电动势 (BEMF) 电压,阻止电流流入绕组,要产生可用扭矩,电源电压必须大大高于BEMF。   速度-扭矩曲线中指定的电源电压是基本信息。如果忽略,例如在发布的曲线要求使用 48V 电源时使用 12V 电源,电机将无法达到预期的扭矩。有关这方面的更多信息,请参见图 2(同一步进电机和驱动器组合的两条速度-扭矩曲线)。 步进电机和驱动器组合的两条速度-扭矩曲线 图 2 — 同一步进电机和驱动器组合的两条速度-扭矩曲线,只是电源电压不同。深绿色线显示48V电源的失速扭矩,浅绿色线显示24V电源的失速扭矩,12V电源会刺激更低的曲线。

4.不能用PLC输出来运行步进电机吗?为什么需要驱动器?

  两相步进驱动器使用一组八个晶体管连接形成一个H桥,从PLC输出创建等效的H桥需要八个输出,一些带有六根引线的两相步进电机仅用四个晶体管驱动,对于这些,向前您可以使用四个PLC输出来和向后旋转步进电机,然而,步进驱动器的功能远不止H桥中晶体管提供的简单序列。   步进驱动器使用总线电压的PWM开关来调节电机各相的电流,正如前面关于电压部分所述,电源电压必须足够高以克服BEMF在高速时产生扭矩。具有微步进功能的步进驱动器进一步改进了PWM开关逻辑,以根据正弦波对每相的电流进行比例调整,从而获得比步进电机的基本步进角更精细的定位。超越最基本的步进驱动器,那些带有轨迹发生器的步进驱动器可以根据预设的加速和减速率自动升高和降低电机速度。   对于有兴趣剖析步进电机工作原理的人来说,使用PLC输出驱动步进电机可能是一个不错的项目,对于任何严肃的运动控制项目,您都需要合适的驱动器。

5.步进电机太吵了……肯定有问题。

  每次步进电机迈出一步时,它都会在转子固定到位时产生一点铃声(想想弹簧上的经典质量),振铃是电机的自然谐振频率,它基于电机结构,当电机步进频率接近或等于它时,自然谐振频率被放大。当步进电机以全步进序列(可用的最低分辨率,等于电机的步距角)和低速(通常在每秒1到5转的范围内)驱动时,这种噪音最为明显。   噪音问题最常出现在用户首次测试步进电机时,电机未安装且未连接任何负载。在这种情况下,电机可以随心所欲地自由共振,而无需任何阻尼共振。   幸运的是,一些简单的方法可以减轻共振:通过安装电机并将电机轴连接到负载来为系统添加机械阻尼。将轴耦合到负载会给系统增加一定的惯性或摩擦力……这反过来又会改变或抑制电机的自然谐振频率。   通过微步减小步距角。微步进时,每一步的步进角都小得多,自然谐振频率被激发得更少,如果这些步骤都不起作用,请考虑使用在其电流控制逻辑中内置反谐振算法的步进驱动器。

6.需要一个编码器来运行步进电机,对吗?

  不,如在开环控制下运行步进电机不需要编码器。步进电机是一种使用开环控制精确重复定位负载的无刷直流电机,其他电机需要某种类型的位置反馈,开环控制在以下情况下效果很好: ● 运动任务在一段时间内是相同的。 ● 负载不变。 ● 要求的速度相对较低。 ● 未能完成运动任务不会导致严重或危险的机器故障。   如果应用不符合规定的标准,请考虑将反馈引入系统以允许某种程度的闭环控制。将编码器添加到步进电机系统可带来诸多好处,从本质上是开环控制但经过微妙、有效改进的基本功能,到步进电机作为伺服控制系统的一部分运行的全闭环控制。