步进电机的工作原理,电喷摩托车步进电机的工作原理

('步进电机一、分类分类概要-工作原理二、特点特性1.主要特点2.主要特性3.驱动器的特点三、步进电机的类型和接线四、优点缺点五、驱动要求六、步进电机的细分七、步进电机发热问题如何避免八、步进电机在控制系统中的应用1，步进电机工作原理步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。给定一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称作该步进电机的步距角。连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。由于电脉冲信号与步进电机转角存在的这种线性关系，使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用。步进电机的使用至少需要三个方面的配合，一是电脉冲信号发生器，它按照给定的设置重复为步进电机输送电脉冲信号，这种信号大多数由可编程控制器或单片机来完成；二是驱动器(信号放大器)，它除了对电脉冲信号进行放大、驱动步进电机转动以外，还可以通过它改善步进电机的使用性能；三是步进电机，它有多种控制原理和型号，现在常用的有反应式、感应子式、混合式等。步进电机的速度控制是通过输入的脉冲频率快慢实现的。当发生脉冲的频率减小时，步进电机的速度就下降；反之，速度就加快。还可以通过频率的改变而提高步进电机的速度或位置精度。步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的。给定一个脉冲，转过一个步距角当停止的位置确定以后，也就决定了步进电机需要给定的脉冲数。2，永磁式步进电机永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。,3，反应式步进电机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。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。4，混合式步进电机混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。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。二、特点特性1，主要特点1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。2．步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4．步进电机低速时可以正常运转,但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，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。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）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。2，主要特性1步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。2腾龙版步进电机的步进角度为7.5度，一圈360度，需要48个脉冲完成。3步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。4改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。因此，目前打印机，绘图仪，机器人，等等设备都以步进电机为动力核心。3，驱动器的特点（1）构成步进电机驱动器系统的专用集成电路A、脉冲分配器集成电路。B、包含脉冲分配器和电流斩波的控制器集成电路。C、只含功率驱动（或包含电流控制、保护电路）的驱动器集成电路。D、将脉冲分配器、功率驱动、电流控制和保护电路都包括在内的驱动控制器集成电路，。（2）“细分驱动”概述：将“电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通过驱动器精确控制步进电机的相电流实现的，与电机本身无关。其原理是，让定子通电相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一次降为0（绕组电流波形不再是近似方波，而是N级近似阶梯波），则定子绕组电流所产生的磁场合力，会使转子有N个新的平衡位置（形成N个步距角）。三、步进电机的类型和接线\uf06c单极性步进电机这种步进电机之所以称为单极性是因为每个绕组中电流仅沿一个方向流动。它也被称为两线步进电机，因为它只含有两个线圈。两个线圈的极性相反，卷绕在同一铁芯上，具有同一个中间抽头。单极性步进电机还被称为4相步进电机，因为它有4个激励绕组。单极性步进电机的引线有5或6根。如果步进电机的引线是5根，那么其中一根是公共线(连接到V+)，其他4根分别连到电机的4相。如果步进电机的引线是6根，那么它是多段式单极性步进电机有两个绕组，每个绕组分别有一个中间抽头引线。1．分辨5线单极性步进电机接头2．分辨6线单极性步进电机接头回收打印机旧电机时最常遇到这种类型的单极性步进电机。6线单极性步进电机通常看起来像是两个单段式电机叠放在一起，每个单段有3根线引出(参见图6)。这种步进电机的引线非常容易分辨。分辨6线步进电机引线顺序的工作相当简单。如果它的结构形式是多段式步进电机，那么引线的顺序实际上已经给出了，用数字万用表可以找出每对绕组的公共线。只要保持绕组对的两根引线对应一致，它们的顺序并无关紧要，仅会影响电机的旋转方向而已。\uf06c单极性步进电机的步进方式单极性步进电机可以来用三种步进方式：单拍、双拍、半拍方式。单拍步进方式是指每次仅给一个绕组通电，结果导致转子旋转，并运动到转子永磁体与具有相反极性的绕组对齐的位置。双拍方式同时给两个组通电，这样就导致转子旋转，并在永磁体到达两个通电绕组的中间位置点时平衡。双拍方式的优点是比单拍方式多获得41.4％的输出力矩，不过代价是需要花费后者两倍的能量，因为它有两相绕组同时通电。最后，半拍方式工作时则让两个绕组通电与单个绕组通电方式交替地进行。半拍方式的输出力矩比双拍方式小，随设计不同，在15％30％之间变化，不过它可以获得双拍方式两倍的步进分辨率(每周两倍的步数)。\uf06c双极性步进电机双极性步进电机之所以如此命名，是因为每个绕组都可以两个方向通电。因此每个绕组都既可以是N极又可以是S极。它又被称为单绕组步进电机，因为每极只有单一的绕组，它还被称为两相步进电机，为具有两个分离的线圈。双极性步进电机有四根引线，每个绕组两条。与同样尺寸和重量的单极性步进电极相比，双极性步进电机具有更大的驱动能力，原因在于其磁极(不是中间抽头的单一线圈)中的场强是单性步进电机的两倍。双极性步进电机的每个绕组需要一个可逆电源，通常由H桥驱动电路提供。由于双极性步进电机比单极性步进电机的输出力矩大，因此总是应用于空间有限的设计中。这也是软盘驱动器的磁头步进机械系统的驱动之所以总是采用双极性步进电机的原因。可以相当简单地使用数字万用表来查找两个绕组。如果在某两根引线之间能够测量到阻值，那么这两根引线之间就属于一个绕组，其他两根线之间是另外一个绕组。双极性步进电机的步距通常是1.8°，也就是200步。\uf06c双极性步进电机的步进方式双极性步进电机具有和单极性步进电机相同的步进方式，仅仅由于绕组配置的不同，在实现上存在一些差别。\uf06c步进驱动方式的相似之处如果读者是聪明的，或者在实践时很细心，也许就会注意到单极性步进电机和双极性步进电机在步进驱动方式上是极其相似的。\uf06c通用步进电机1，分辨通用步进电机绕组的极性2．配置通用步进电机极性的方法\uf06c有关步进电机极性配置的结束语至今为止，读者可能已看到了6线单极性步进电机和串联配置的通用步进电机之间的令人惊异的相同点。事实上，可以通过忽略两条公共绕组的连接，将一个6线单极性步进电机用作双极性步进电机。作者已经测试过，并且工作状态良好。如何获得步进电机如今步进电机的价格仍然比较昂贵，但幸运的是，它们在旧货市场上比较常见。几乎在每一家旧货商店中都有剩余步进电机处理出售。麻烦的是，很少有商店能向顾客提供步进电机的规格性能说明书，因为他们也不知道。如果知道，他们当然是会提供的。四、优缺点1，优点1．电机旋转的角度正比于脉冲数；2．电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；3．由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；4．优秀的起停和反转响应；5．由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；6．电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本；7．仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。8．由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。2，缺点1．如果控制不当容易产生共振；2．难以运转到较高的转速。3.难以获得较大的转矩4.在体积重量方面没有优势，能源利用率低。5.超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。五、驱动原理及要求原理步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。驱动器的作用是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动。以两相步进电机为例，当给驱动器一个脉冲信号和一个正方向信号时，驱动器经过环形分配器和功率放大后，给电机绕组通电的顺序为，其四个状态周而复始进行变化，电机顺时针转动；若方向信号变为负时，通电时序就变为,电机就逆时针转动。分析步进电机驱动电路原理图，当T导通时有：R为电路中存在的等效电阻。如果，电机不转动，感应电动势E＝0，则：要求（1）能够提供较快的电流上升和下降速度，使电流波形尽量接近矩形。具有供截止期间释放电流流通的回路，以降低绕组两端的反电动势，加快电流衰减。（2）具有较高韵功率及效率。步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一个步距角。也就是说步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以控制步进脉冲信号的频率，就可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，就可以对电机精确定位。步进电机驱动器有很多，我们应以实际的功率要求合理的选择驱动器，下面分别介绍各类典型的驱动器。六、步进电机的细分步进电机是一种将离散的电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的电磁机械装置,它具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，已经在当今工业上得到广泛的应用，但其步矩角较大，一般为1.5o~3o，往往满足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。实现细分驱动是减小步距角、提高步进分辨率、增加电机运行平稳性的一种行之有效的方法。本文在选择了合理的电流波形的基础上，提出了基于Intel80C196MC单片机控制的步进电机恒转矩细分驱动方案，其运行功耗小，可靠性高，通用性好，具有很强的实用性细分控制原理：在步进电机步距角不能满足使用要求时，可采用细分驱动器来驱动步进电机。细分驱动器的原理是通过改变A，B相电流的大小，以改变合成磁场的夹角，从而可将一个步距角细分为多步。仍以二相步进电机为例，当A、B相绕组同时通电时，转子将停在A、B相磁极中间，如图若通电方向顺序按AAAABBBBBBAAAAAABBBBBBAA,8个状态周而复始进行变化，电机顺时针转动；电机每转动一步，为45度，8个脉冲电机转一周。与图2.1相比，它的步距角小了一半。驱动器一般都具有细分功能，常见的细分倍数有：1/2，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64；或：1/5，1/10，1/20。细分后步进电机步距角按下列方法计算：步距角=电机固有步距角/细分数例如：一台1.8°电机设定为4细分，其步距角为1.8°/4=0.45°。当细分等级大于1/4后，电机的定位精度并不能提高，只是电机转动更平稳。1，细分电流波形的选择及量化步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。因此，要想实现对步进电机的恒转矩均匀细分控制，必须合理控制电机绕组中的电流，使步进电机内部合成磁场的幅值恒定，而且每个进给脉冲所引起的合成磁场的角度变化也要均匀。我们知道在空间彼此相差2p/m的m相绕组，分别通以相位上相差2p/m而幅值相同的正弦电流，合成的电流矢量便在空间作旋转运动，且幅值保持不变。这—点对于反应式步进电机来说比较困难，因为反应式步进电机的旋转磁场只与绕组电流的绝对值有关，而与电流的正反流向无关。以比较经济合理的方式对三相反应式步进电机实现步距角的任意细分，绕组电流波形宜采用如图1所示的形式。图中，a为电机转子偏离参考点的角度。ib滞后于ia，ic超前于ia。此时，合成电流矢量在所有区间b＝Ime-ja，从而保证合成磁场幅值恒定，实现电机的恒转矩运行。且步进电机在这种情况下也最为平稳。将绕组电流根据细分倍数均匀量化后，所得细分步距角也是均匀的。为了进一步得到更加均匀的细分步距角，可通过实验测取一组在通入量化电流波形时的步进电机细分步距的数据，然后对其误差进行差值补偿，求得实际的补偿电流曲线。这些工作大部分由计算机来完成。步进电机是一种将离散的电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的电磁机械装置,它具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，已经在当今工业上得到广泛的应用，但其步矩角较大，一般为1.5o~3o，往往满足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。实现细分驱动是减小步距角、提高步进分辨率、增加电机运行平稳性的一种行之有效的方法。本文在选择了合理的电流波形的基础上，提出了基于Intel80C196MC单片机控制的步进电机恒转矩细分驱动方案，其运行功耗小，可靠性高，通用性好，具有很强的实用性。图2硬件系统原理框图步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。因此，要想实现对步进电机的恒转矩均匀细分控制，必须合理控制电机绕组中的电流，使步进电机内部合成磁场的幅值恒定，而且每个进给脉冲所引起的合成磁场的角度变化也要均匀。我们知道在空间彼此相差2p/m的m相绕组，分别通以相位上相差2p/m而幅值相同的正弦电流，合成的电流矢量便在空间作旋转运动，且幅值保持不变。这—点对于反应式步进电机来说比较困难，因为反应式步进电机的旋转磁场只与绕组电流的绝对值有关，而与电流的正反流向无关。以比较经济合理的方式对三相反应式步进电机实现步距角的任意细分，绕组电流波形宜采用如图1所示的形式。图中，a为电机转子偏离参考点的角度。ib滞后于ia，ic超前于ia。此时，合成电流矢量在所有区间b＝Ime-ja，从而保证合成磁场幅值恒定，实现电机的恒转矩运行。且步进电机在这种情况下也最为平稳。将绕组电流根据细分倍数均匀量化后，所得细分步距角也是均匀的。为了进一步得到更加均匀的细分步距角，可通过实验测取一组在通入量化电流波形时的步进电机细分步距的数据，然后对其误差进行差值补偿，求得实际的补偿电流曲线。这些工作大部分由计算机来完成。在取得校正后的量化电流波形之后，以相应的数字量存储于EEPROM中的不同区域，量化的程度决定了细分驱动的分辨率。2.斩波恒流细分驱动方案及硬件实现斩波恒流细分驱动方案的原理为：由单片机输出EEPROM中存储的细分电流控制信号，经D/A转换成模拟电压信号，再与取样信号进行比较，形成斩波控制信号，控制各功率管前级驱动电路的导通和关断，实现绕组中电流的闭环控制，从而实现步距的精确细分。系统原理框图如图2所示。3.控制电路控制电路主要由80C196MC单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、EEPROM存储器及可编程键盘/显示控制器Intel-8279等组成，受控步进电机的细分倍数、运行脉冲频率、正反转、运行速度、单次运行线位移、启/停等的控制，既可由键盘输入，也可以通过串行通信接口由上位机设置。状态显示提供当前通电相位、相电流大小、电机运行时间、正反转、当前运行速度线位移及相关计数等信息显示，并将工作状态和数据传送给上位机。传感器(霍尔传感器)用于检测计数器的当前值。单片机是控制系统的核心其主要功能是输出EEPROM中存储的细分电流控制信号进行D/A转换。根据转换精度的要求，D/A转换器既可以选择8位的，亦可选择12位的。本控制系统选用的是8位D/A转换器MAX516，MAX516把4个D/A转换器与4个比较器组合在单个的CMOSIC上，4个D/A转换器共享一个参考输入电压VREF。每个转换器的输出电压均可采用下式表示：VDACi=VREFN/256N＝0，l，......，255，对应于8位的DAC的输入码D0—D7(此处为细分电流控制信号)。通过调节VREF的变化范围，便可调节步进电机绕组中电流的幅值。4.功率驱动电路工作中，步进电机细分电流控制信号的D/A转换值Ui输入到MAX516内部各比较器COMPi的同向输入端，绕组电流取样信号Vi输入到COMPi的反向输入端。斩波恒流驱动采用固定频率的方波与比较器输出信号调制成斩波控制信号，控制绕组的通电时间，使反馈电压Vi始终跟随D/A转换输出的控制电压Ui。合理选择续流回路就可使绕组中的电流值在一定的平均值上下波动，且波动范围不大。调制用方波信号频率为21.74KHz，由80C196MC的P6.6/PWM0端产生，且各相是同频斩波，不会产生差拍现象，所以消除了电磁噪声。为防止因比较器漂移或干扰导致功率开关管误导通，让斩波控制信号和相序控制信号相与后控制功放管。当开关管截止时，并联RC、快恢复续流二极管D、绕组L及主电源构成泄放回路。与单纯电阻释能电路相比，RC释能电路使功耗和电流纹波增加较小，而电流下降速度大大加快。电流取样信号由精密电流传感放大器MAX471完成。当绕组电流流过其内部35mΩ精密取样电阻时，经内部电路变化，转换为输出电压信号：VOUT=ROUT×(ILOAD×500mA/A)其中ROUT为MAX471外部调压电阻，阻值按设计要求选定。ILOAD为流过精密电阻的相绕组电流。MAX471同时具有电流检测与放大功能，从而大大方便了整个电路的设计与调试功率开关管(功放管)是功放电路中的关键部分，影响着整个系统的功耗和体积。由于所设计的驱动器主要用来驱动额定电流3A、额定电压27V以下的步进电机，故选用高频VMOS功率场效应晶体管IRF540(VDS=100V，RDS(on)=0.052W，ID=27A)作为开关管。IRF540导通电阻很小，因此，即使电机长时间运转，该VMOS管壳本身的温度也比较低，无须外加风扇为了提高步进电机的工作可靠性，消除电机电感性绕组的串扰，本系统无论从驱动部分还是反馈部分都进行了隔离。驱动隔离采用高速光电耦合器6N137为隔离元件，一方面可以实现前级控制电路同步进电机绕组的隔离；另一方面使功率开关管的驱动变得方便可靠。反馈通道的滤波部分采用无源低通滤波器，其作用是高速衰减绕组(电感线圈)在开关时截止频率以上的瞬时高频电压信号，从而避免控制电路做出太迅速的反应，可以有效地防止步进电机的振荡。线性光耦合电路的作用是将滤波后的采样电阻反馈信号线性地传输给比较器。5.软件设计步进电机细分驱动系统的软件主要由主控程序、细分驱动程序、键处理程序、显示数据处理及显示驱动程序、通信监控程序等部分组成。细分驱动电路的主控制程序控制整个程序的流程，主要完成程序的初始化、中断方式的设置、计数器工作方式的设置及相关子程序的调用等。初始化包括8279各寄存器、8279的显示RAM、80C916MC的中断系统及内部RAM等。在80C196MC的各中断中，使用了INT15、INT14和INT13这三个中断，其中，INT15为高优先级。在运行状态下，当有停止键按下时，则INT15中断服务程序将T1关闭，从而使步进电机停止。T1控制每一步的步进周期，该服务程序基本上只作重置定时器和置标志位的操作，而其它操作均在主程序中完成。主程序流程图见本刊网站。细分驱动程序中，细分电流控制信号的输出采用单片机片内EEPROM软件查表法，用地址选择来实现不同通电方式下的可变步距细分，从而实时控制步进电机的转角位置。其流程图如图4所示。步进电机的正反转控制是通过改变电机通电相序来实现的。为达到对步进电机启/停运行过程的快速和精确控制，从其动力学特性出发，推导出符合步进电机矩频特性的曲线应该是指数型运行曲线，并将这一曲线量化后，存入EEPROM。步进电机在运行过程中，每个通电状态保持时间的长短，由当前速度对应的延时时间值决定。图3步进电机细分驱动控制主程序流程图七．步进电机发热问题如何避免步进电机作为一种数字式执行元件，在运动控制系统中得到广泛的应用。许多用户朋友在使用步进电机的时候，感觉电机工作时有较大的发热，心存疑虑，不知这种现象是否正常。实际上发热是步进电机的一个普遍现象，但怎样的发热程度才算正常，以及如何尽量减小步进电机发热呢?首先，要了解步进电机为什么会发热对于各种步进电机而言，内部都是由铁芯和绕组线圈组成的。绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗;铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。再者，将步进电机发热控制在合理范围内电机发热允许到什么程度，主要取决于电机内部绝缘等级。内部绝缘性能在高温下(130度以上)才会被破坏。所以只要内部不超过130度，电机便不会损坏，而这时表面温度会在90度以下。所以，步进电机表面温度在70-80度都是正常的。简单的温度测量方法有用点温计的，也可以粗略判断：用手可以触摸1-2秒以上，不超过60度;用手只能碰一下，大约在70-80度;滴几滴水迅速气化，则90度以上了；当然也可以用测温枪来检测。第三，步进电机发热随速度变化的情况采用恒流驱动技术时，步进电机在静态和低速下，电流会维持相对恒定，以保持恒力矩输出。速度高到一定程度，电机内部反电势升高，电流将逐步下降，力矩也会下降。因此，因铜损带来的发热情况就与速度相关了。静态和低速时一般发热高，高速时发热低。但是铁损(虽然占的比例较小)变化的情况却不尽然，而电机整个的发热是二者之和，所以上述只是一般情况。第四，发热带来的影响电机发热虽然一般不会影响电机的寿命，对大多数客户来说没必要理会。但是，严重的发热会带来一些负面影响。如电机内部各部分热膨胀系数不同导致结构应力的变化和内部气隙的微小变化，会影响电机的动态响应，高速会容易失步。又如有些场合不允许电机的过度发热，如医疗器械和高精度的测试设备等。因此对电机的发热应当进行必要的控制。最后，减少电机的发热减少发热，就是减少铜损和铁损。减少铜损有两个方向，减少电阻和电流，这就要求在选型时尽量选择电阻小和额定电流小的电机，对两相电机，能用串联的电机就不用并联电机。但是这往往与力矩和高速的要求相抵触。对于已经选定的电机，则应充分利用驱动器的自动半流控制功能和脱机功能，前者在电机处于静态时自动减少电流，后者干脆将电流切断。另外，细分驱动器由于电流波形接近正弦，谐波少，电机发热也会较少。减少铁损的办法不多电压等级与之有关，高压驱动的电机虽然会带来高速特性的提升，但也带来发热的增加。所以应当选择合适的驱动电压等级，兼顾高速性，平稳性和发热，噪音等指标。八、步进电机的应用随着新材料、新技术的发展及电子技术和计算机的应用,步进电动机及驱动器的研制和发展进入了新阶段。步进电机除了结构简单、使用维护方便、工作可靠,在精度高等特点。还有下列优点:①步距值不受各种干扰因素的影响。转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率。转子运动的总位移量则取决于总的脉冲信号数。②误差不积累。步进电动机每走一步所转过的角度与理论步距值之间总有一定的误差,走任意步数以后,也总有一定的误差。但每转一圈的累积误差为零,所以步距的误差不积累。③控制性能好。起动、转向及其他任何运行方式的改变,都在少数脉冲内完成。在一定的频率范围内运行时,任何运行方式都不会丢一步的。由于步进电动机有上述特点和优点而广泛应用在机械、治金、电力、纺织、电信、电子、仪表、化工、轻工、办公自动化设备、医疗、印刷以及航空航天、船舶、兵器、核工业等国防工业等领域。1．步进电机在物料计量方面的应用1.粉状物料的计量螺杆计量是常用的容积式计量方式，它是通过螺杆旋转的圈数多少来达到计量的多少，为了达到计量大小可调和提高计量精度的目的，要求螺杆的转速可调和位置定位准确，使用步进电机可以同时满足这两个方面的要求。例如粉剂包装机的计量采用了步进电机控制螺杆的转速和转数，不仅简化了机械结构，而且使得控制非常方便。在不过载的情况下，步进电机的转速、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，这与电磁离合器控制的螺杆计量相比，具有明显的精度优势，更加适合于比重变化比较大的物料计量。步进电机与螺杆采用直接连接的方式，结构简单，维修方便。值得指出的是，如步进电机的过载能力较代，当轻微过载时，就会出现相当大的噪声。因此，在计量工况确定以后，就要选用较大的过载系数，以保证步进电机平衡工作。2.粘稠体物料的计量齿轮泵在输送粘稠体方面得到了广泛的应用，例如糖浆、白酒、油料、番茄酱等的输送。目前在对这些物料的计量方面大多使用活塞泵，存在着调整困难、结构复杂、不便维修、功耗大、计量不准等缺点。而齿轮泵计量是靠一对齿轮啮合转动计量的，物料通过齿与齿的空间被强制从进料口送到出料口。动力来自步进电机，步进电机转动的位置及速度由可编程控制器控制，计量精度高于活塞泵的计量精度。步进电机适于在低速下运行，当速度加快时，步进电机的噪声会明显加大，其它经济指标会显著下降。对于转速比较高的齿轮泵来说，选用升速结构比较好。我们在粘稠体包装机上开始采用的是步进电机直联齿轮泵的结构，噪声难以避免，采用直齿轮升速的办法，降低了步进电机的速度，噪声得到了控制，可靠性也有所提高，计量精度得到了保证。2.步进电动机在红外窑炉监控系统中的应用回转窑筒体温度红外扫描计算机监测系统由安装在控制室的工业计算机系统和安装在窑体现场的红外测温仪、窑体位置编码器(码盘)、窑体同步信号发生器及现场设备箱体等组成。通过检测窑体的同步信号和码盘数据来控制步进电动机的速度及方向,即红外扫描的速度和方向；采集当前温度值及码盘数据并向上位机实时传送,通过上位机完成数据的存储、显示、报警。窑体的一端装有同步触发装置及测量旋转角度的码盘。在测量过程中,窑体本身作旋转运动,由步进电动机所带的红外探头作轴向扫描。红外探头的扫描检测为单方向的,即沿轴向从左向右扫描采集温度值,遇到右限位开关则快速返回不进行采集数据。规定在窑炉的一个旋转周期内每隔90°为一个新的扫描起。窑炉旋转一周完成四次轴向扫描;在下一个窑炉旋转周期内的起始扫描位置将滞后于前一个旋转周期内的起始扫描点9°,这样窑炉旋转10周可以实现一个完整的窑体体表温度扫描过程,保证整个炉面没有盲区。因为步进电动机的角位移量与输入脉冲严格成正比关系,步进电动机没有累计误差,具有良好的开环跟随性;动态响应快,调速与定位控制性能好;角位移变化范围宽,而且通过驱动器的分析,控制精度将大幅度提高。采用二相步进电动机,由步进电动机驱动红外探头作轴向扫描,配套驱动器为RD-0214M8,可以实现八细分,最小步距角为01225°。在轴向扫描采样过程中,虽然采样点的间隔是均匀的,但步进电动机在每次抵达下一个采样点时所转过的角度不同,必须根据扫描距离的变化动态调整步进电动机的脉冲数。而且调整规则与红外探头相对于窑炉的安装位置有关,窑炉旋转速度变化则采集的速度作相应变化,旋转到预定位置即进行采样。3步进电动机在数控机床中的应用对普通机床的数控改造,是数控技术应用的重要一方面,特别是对我国在本世纪来说,就显得尤为重要。步进电动机驱动装置可直接接收指令脉冲信号,且可直接将脉冲号变为角位移角位移与输入脉冲数成严格的比例关系。它的转速与控制脉冲频率成正比。改变绕组的通电顺序,可方便地控制电动机的下反转。只要维持绕组电流不变。可有电磁力矩维持其定位位置,不需附加机械制动装置。在经济型数控机床中，用步进电机驱动的开环伺服系统，具有结构简单，容易调整的特点。步进电机将进给脉冲转换具有一定为方向，大小和速度的机械角位移，带动工作台移动。步进电动机驱动装有这么多优点,所以常用做数控机床开环进给的驱动电动机。现大多采用功率式步进电动机。如图1:图1步进电动机驱动工作台典型结构在驱动中,常采用减速齿轮以作匹配。同采用减速齿轮后可容易配置出所要求的脉冲当量减少工作台以及丝杠折算到电动机轴上的惯量;增大工作台推力。在实际中,往往仅知道工作台的质量M(或重量W)与导轨间的磨擦系数μ,以及对机床的加工精度要求,或脉冲当量,如:0.01mm、0.05mm等。可先选择丝杠,这样,丝杠的长度l,公称直径d,螺距S,传动效率η等参数均可知道。另外,步进电动机的各种性能参数于其配套的驱动电源有限,不同控制方式的驱动功率放大电路及其电压,电流等参数不同,都会使步进电动机的输出特性发生很大的变化。因此,步进电动机一定要与其配套驱动电流一起考虑选择。4.步进电机控制摄像头在视频图像监控系统中的应用视频图像监控系统在银行、公安、交通、科研和一些重要的需要实时监控的部门中得到了广泛的应用。摄像头及其驱动装置是视频图像监控系统中的重要组成部分之一。但是在实际应用中，如采用步进电机控制摄像头，常常会出现图像抖晃现象。为了减少低速下的机械振荡,改善图像质量,采用步进电机的细分驱动是一种比较理想的解决方法。所谓细分驱动，就是把步进电机运行的一整步细分为若干个小步，把原来的电流变化从阶跃函数转变为正弦函数规律变化的电流，从而减小了加速度，消除了机械振荡，改善了图像质量。例如两相混合式步进电机39BYG009，它的步距角为1.8°。39BYG009步进电机有A、B两相绕组，它的通电方式为：如果通电的顺序反相，则步进电机反走。当步进电机由A、B相通电转为B、A相通电时，步进电机转过1.8°，即一个整步。当电机连续转过四步后，完成一个循环，我们可以认为它转过了电磁角一周，即360°，每步即为90°的电磁角度。当电机低速运行时，由于相序转换造成的速度冲击，会使得电机转子在平衡位置反复振荡，影响运行精度。为了使步进电机运行更平稳，在电磁矢量A与B之间插入若干步，每步转过的角度α=90/n，为保证电机运行平稳、转距不变,矢量的模应为常数，且与A或B相等，即矢量的终点应在矢量圆上。当插入第一步时，矢量转过α角度，这时A相电流应为+Acosα，B相电流为+Bsinα；插入第二步时，矢量转过2α角度，这时A相电流应为+Acos2α，B相电流为+Bsin2α；以此类推，需保证角度的均分。同样，当矢量转入第四象限时，在第四象限同样插入相同的步数，而这时通电的方向应为BA，电流计算方法同第一象限。第三、第二象限也如此。所以要在两步之间插入若干步，只要控制电机绕组的电流生成若干个台阶即可，但为了保证运行精度，台阶数也必须为整数。',)