uirobot培訓第一課

1、UIRobt,UIRobot培訓,第一課,1,UIRobt,2,主要內(nèi)容,一，步進電機介紹二，步進電機驅(qū)動器知識三，UIM2400X驅(qū)動控制器介紹四，補充知識,2,UIRobt,第一部分 關于步進電機的相關知識,3,UIRobt,步進電機發(fā)展史,步進電機與電磁鐵、柱塞泵同一時期開發(fā)，法國人佛羅曼提出了將電磁鐵的吸引力轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)力矩的方法。1920年步進電機的才開始實際應用，稱為VR(Variable Relutance，

2、變磁阻)型步進電機，被英國海軍用作定位控制和遠程遙控?；旌鲜絝IB( Hybrid的縮寫，是VR與PM復合的意思)型步進電機大約在1952年，由美國GE公司的Karl Feiextag開發(fā)的發(fā)電機演變而來。而后由美國的Superior Electric公司和Sigma Instruments公司開發(fā)出兩相1. 8度步距角的HB型步進電機。步進電機的大規(guī)模應用是在1977年，兩相步進電機(圖1.1)被應用于FDD(floppy d

3、isk drive軟盤驅(qū)動器)輸出軸的驅(qū)動上。我國在80年代以前一直是反應式步進電機占統(tǒng)治地位，混合式步進電機在80年代后期才開始發(fā)展。,4,UIRobt,什么是步進電機？,步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。它同時完成兩個工作：一是傳遞轉(zhuǎn)矩，二是控制轉(zhuǎn)角位置或速度。 通俗一點講：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進角）。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從

4、而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。,5,UIRobt,步進電機的分類及各自特點,步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應式（VR）和混合式（HB）。 （1）永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或1.5度；（2）反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；（3）混合式步

5、進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相、三相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度，混合式步進電機隨著相數(shù)（通電繞組數(shù)）的增加，步進角減小，精度提高，這種步進電機的應用最為廣泛。,6,UIRobt,步進電機的優(yōu)點①無積累誤差②采用數(shù)字脈沖信號控制，不需數(shù)模轉(zhuǎn)換，便于和計算機聯(lián)接③結(jié)構(gòu)簡單、成本低、無滑環(huán)和電刷， 便于維修④可堵轉(zhuǎn)運行而不會燒毀⑤可以開環(huán)控制，抗干擾能力強，啟動、反轉(zhuǎn)、定位都很

6、方便,7,UIRobt,步進電機的缺點,①外表承受溫度過低，過高電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降甚至于丟失，步進電機外表溫度在攝氏８０－９０度完全正常；②效率低，一般在60%以下；③響應速度比較慢，步進電動機從靜止加速到工作速度（一般為幾百RPM），需要200-400ms；④步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲，⑤步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降；⑥步進電動機在速運轉(zhuǎn)時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象；

7、⑥過載能力比較低，所以在步進電機在啟動時無法克服慣性負載，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電動機啟動瞬間的慣性力矩；,8,UIRobt,步進電機的結(jié)構(gòu),9,2024/3/31,UIRobt,普通型兩相四線制,注意：判斷電機線序是否同相有兩點辦法：a:任意兩根線短接，電機軸承有卡頓現(xiàn)象，證明此兩根線同相；b:萬用表打到Ω檔，同相的電阻在10-100Ω以內(nèi)，異相電阻在KΩ以上；,UIRobt,關于步進電機的專業(yè)術語

8、,A相數(shù) H電機矩頻特性B步距角 I共振點C靜力矩 J丟步D定位力矩E步距腳精度F最大空載啟動頻率E最大空載運行頻率G相電流,11,UIRobt,相數(shù)： 是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。步

9、距角： 對應一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移。一般二相電機的步距角為 1.8 度，即電機運動200 步為一周。步距角精度：一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。,12,UIRobt,靜力矩（HOLDING TORQUE，也稱為保持力矩）： 是指步進電機通以額定電流但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的轉(zhuǎn)矩接近靜力矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨

10、速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。,13,UIRobt,定位力矩（DETENT TORQUE）： 是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。步距角精度： 步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。相電流： 電機繞組所通過的電流。,14,UIRobt,最大空載起動頻率： 電機在某種驅(qū)動形式、電壓

11、及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 最大空載的運行頻率： 電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高運行頻率。,15,UIRobt,電機矩頻特性： 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與脈沖頻率關系的曲線稱為電機矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。在低速時的電機力矩接近靜力矩，隨著電機速度的增加，電機輸出力矩不斷衰減。 電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的

12、相電流在額定電流和電壓下，相電流越大，電機輸出力矩在低速時越大，電壓越高，高速運轉(zhuǎn)時力矩越大。 同一電機的矩頻特性曲線在不同驅(qū)動器下的表示是會有差異的，所以選型時要留有余量。,16,UIRobt,電機的共振點： 步進電機均有相對固定的共振區(qū)域，2、4 相混合式步進電機的共振區(qū)一般在180～250pps 之間（步距角1.8 度）。為使電機輸出力矩大，不失步及使系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區(qū)較多。注意：細分會改變共振區(qū)的位置。&

13、#160;丟步（失步）： 控制器給電機發(fā)了 n 個脈沖，步進電機并沒有轉(zhuǎn)動n 個步距角。一般當電機力矩偏小、加速度偏大、速度偏高、摩擦力不均勻等都會使丟步現(xiàn)象發(fā)生。,17,UIRobt,步進電機的外表溫度允許達到多少?,步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以

14、步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。,18,UIRobt,為什么步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降?,當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。,19,UIRobt,為什么步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲?,步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的

15、脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。,20,UIRobt,如何克服兩相混合式步進電機在低速運轉(zhuǎn)時的振動和噪聲?,A.如步進電機正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區(qū)；B.采用帶有細分功能的驅(qū)動器，這是最常用的、最簡便的方法；C

16、.換成步距角更小的步進電機，如三相或五相步進電機；D.換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高；E.在電機軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產(chǎn)品，但機械結(jié)構(gòu)改變較大。,21,UIRobt,為什么步進電機會出現(xiàn)串、并聯(lián)的情況？,許多 2 相步進電機有8 根引線，這種電機既可以串聯(lián)連接又可以并聯(lián)連接。 串聯(lián)連接的電機，電流較小，低頻力矩較大；并聯(lián)連接的電機，電感較小，所以啟動、停止速度較快，高頻力矩有所增大。,22,UIR

17、obt,第二部分 步進電機驅(qū)動器,23,UIRobt,什么是步進電機驅(qū)動器？,是一種能使步進電機運轉(zhuǎn)的功率放大器，能把控制器發(fā)來的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進電機的角位移，電機的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，所以控制脈沖頻率可以精確調(diào)速，控制脈沖數(shù)就可以精確定位。,24,UIRobt,步進電機的驅(qū)動方式,一般來說，步進電機有恒壓、恒流驅(qū)動兩種。恒壓驅(qū)動已近淘汰，目前普遍使用橫流驅(qū)動。恒流控制的基本思想是通過控制主電路中MOSFET

18、的導通時間，即調(diào)節(jié)MOSFET觸發(fā)信號的脈沖寬度，來達到控制輸出驅(qū)動電壓進而控制電機繞組電流的目的。,25,UIRobt,如何簡單調(diào) 整兩相步進電機通電后的運轉(zhuǎn)方向？,將電機與驅(qū)動器接線的A+和A-（或者B+和B-）對調(diào)即可。,26,UIRobt,步進電機驅(qū)動細分,細分驅(qū)動技術是一種電流波形控制技術。其基本思想是控制每相繞組電流的波形，使其階梯上升或下降，即在0和最大值之間給出多個穩(wěn)定的中間狀態(tài)，定子磁場的旋轉(zhuǎn)過程中也就有了多個穩(wěn)定的中

19、間狀態(tài)，對應與電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的步數(shù)增多、步距角減小。采用細分驅(qū)動技術可以大大提高步進電機的步距分辨率，減小轉(zhuǎn)矩波動，避免低頻共振及降低運行噪聲。,27,UIRobt,28,細分驅(qū)動器的細分數(shù)是否能代表精度?,步進電機的細分技術實質(zhì)上是一種電子阻尼技術，其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉(zhuǎn)精度只是細分技術的一個附帶功能。比如對于步進角為1.8°的兩相混合式步進電機，如果細分驅(qū)動器的細分數(shù)設置為4，那么電機的運轉(zhuǎn)

20、分辨率為每個脈沖0.45°，電機的精度能否達到或接近0.45°，還取決于細分驅(qū)動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅(qū)動器精度可能差別很大；細分數(shù)越大精度越難控制。一般來說當細分等級大于1/4后，步距角的精度不能保證。,28,UIRobt,混合式步進電機驅(qū)動器的使能信號ENA一般在什么情況下使用？,當使能信號ENA為低電平時，驅(qū)動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（脫機狀態(tài)）。在有些自動化 設

21、備中，如果在驅(qū)動器不斷電的情況下要求可以用手動直接轉(zhuǎn)動電機軸，就可以將ENA置低，使電機脫機，進行手動操作或調(diào)節(jié)。手動完成后，再將ENA信號置高，以繼續(xù)自動控制。,29,UIRobt,步進電機驅(qū)動器的三種接線方式,（1）光電隔離元件的作用：電氣隔離，抗干擾（2）三種接線方式：共陽極接法、共陰極接法、 差分式接法,30,UIRobt,31,UIRobt,第三部分,UIM2400X系列驅(qū)動器介紹,32,UIRobt,特性,寬電壓輸入1

22、2～40VDC電流輸出2A/4A/8A峰值可調(diào)相電流，微步1～16 細分H橋雙極恒流輸入信號光電隔離，標準共陽極單脈沖自動電流減半,33,UIRobt,,34,UIRobt,典型接線圖,,35,UIRobt,當使用24V加載共用端時，需用2K 附加限流電阻。每個信號端口都需要使用單獨附加電阻。注意，光電隔離的發(fā)射二極管前向壓降為1.15V。,,36,UIRobt,如何調(diào)整輸出電流？,A，保證驅(qū)動器背面的電流減半撥碼（即撥碼開關1

23、）處于OFF狀態(tài)（即數(shù)字端）；B,映射電壓關系如下： UIM24002:映射電壓0----2V對應0----2A輸出電流； UIM24 004:映射電壓1.5V----4V對應1.5A----4A工作 電流。 UIM24008:映射電壓1.5V----4V對應3----8A工作電流。,37,UIRobt,如何調(diào)整細分？,,38,UIRobt,第四部分,補充知識,39,UIRobt,常見電源的分類,線性電源-----

24、------------例如實驗室電源，波紋較小。開關電源----------------機器設備常用，工作效率高,40,UIRobt,兩種電源比較,1、線性電源精度好，紋波小，調(diào)整率好，對外干擾小，適用多種場合。2、線性電源功率器件工作在線性狀態(tài)，因此損耗相對開關電源較高一點，效率上開關電源好一些。3、開關電源的尺寸相比線性電源要小但是開關電源有污染電網(wǎng)和幅射干擾的問題。4、開關電源不適宜用做在輸出高電壓大電流時0電壓起

25、調(diào)的連續(xù)可調(diào)的場合，但適用于固定輸出或相對固定輸出對輻射干擾沒有太大要求的場合。,41,UIRobt,開關電源的主要優(yōu)點： 體積小、重量輕（體積和重量只有線性電源的20～30%）、效率高（一般為60～70%，而線性電源只有30～40%）、自身抗干擾性強、輸出電壓范圍寬、模塊化。 開關電源的主要缺點： MOS管高di/dt和高dv/dt，它們產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開關管高頻工

26、作時的電壓切換、輸出整流二極管的反向恢復電流都是這類干擾源。需要良好的屏蔽及接地,42,UIRobt,43,如何確定步進電機驅(qū)動器直流供電電源？,A、供電電源輸出電壓的確定：混合式步進電機驅(qū)動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍，電源電壓通常根據(jù)電機的工作轉(zhuǎn)速和響應要求來選擇。如果電機工作轉(zhuǎn)速較高或響應要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅(qū)動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動器。如果電機工作轉(zhuǎn)速較低，則可以考慮電壓選