uirobot培訓(xùn)第一課

1、UIRobt,UIRobot培訓(xùn),第一課,1,UIRobt,2,主要內(nèi)容,一，步進(jìn)電機(jī)介紹二，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器知識(shí)三，UIM2400X驅(qū)動(dòng)控制器介紹四，補(bǔ)充知識(shí),2,UIRobt,第一部分 關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)知識(shí),3,UIRobt,步進(jìn)電機(jī)發(fā)展史,步進(jìn)電機(jī)與電磁鐵、柱塞泵同一時(shí)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(jìn)電機(jī)的才開始實(shí)際應(yīng)用，稱為VR(Variable Relutance，

2、變磁阻)型步進(jìn)電機(jī)，被英國海軍用作定位控制和遠(yuǎn)程遙控?；旌鲜絝IB( Hybrid的縮寫，是VR與PM復(fù)合的意思)型步進(jìn)電機(jī)大約在1952年，由美國GE公司的Karl Feiextag開發(fā)的發(fā)電機(jī)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(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用是在1977年，兩相步進(jìn)電機(jī)(圖1.1)被應(yīng)用于FDD(floppy d

3、isk drive軟盤驅(qū)動(dòng)器)輸出軸的驅(qū)動(dòng)上。我國在80年代以前一直是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)占統(tǒng)治地位，混合式步進(jìn)電機(jī)在80年代后期才開始發(fā)展。,4,UIRobt,什么是步進(jìn)電機(jī)？,步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它同時(shí)完成兩個(gè)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(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從

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

5、進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相、三相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度，混合式步進(jìn)電機(jī)隨著相數(shù)（通電繞組數(shù)）的增加，步進(jìn)角減小，精度提高，這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。,6,UIRobt,步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)①無積累誤差②采用數(shù)字脈沖信號(hào)控制，不需數(shù)模轉(zhuǎn)換，便于和計(jì)算機(jī)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(yùn)行而不會(huì)燒毀⑤可以開環(huán)控制，抗干擾能力強(qiáng)，啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)、定位都很

6、方便,7,UIRobt,步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn),①外表承受溫度過低，過高電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降甚至于丟失，步進(jìn)電機(jī)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(yīng)速度比較慢，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從靜止加速到工作速度（一般為幾百RPM），需要200-400ms；④步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲，⑤步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降；⑥步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象；

7、⑥過載能力比較低，所以在步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)無法克服慣性負(fù)載，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間的慣性力矩；,8,UIRobt,步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu),9,2024/3/31,UIRobt,普通型兩相四線制,注意：判斷電機(jī)線序是否同相有兩點(diǎn)辦法：a:任意兩根線短接，電機(jī)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(guān)于步進(jìn)電機(jī)的專業(yè)術(shù)語

8、,A相數(shù) H電機(jī)矩頻特性B步距角 I共振點(diǎn)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(dòng)頻率E最大空載運(yùn)行頻率G相電流,11,UIRobt,相數(shù)： 是指電機(jī)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(jìn)電機(jī)。步

9、距角： 對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移。一般二相電機(jī)的步距角為 1.8 度，即電機(jī)運(yùn)動(dòng)200 步為一周。步距角精度：一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)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(jìn)電機(jī)通以額定電流但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩接近靜力矩。由于步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。,13,UIRobt,定位力矩（DETENT TORQUE）： 是指步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。相電流： 電機(jī)繞組所通過的電流。,14,UIRobt,最大空載起動(dòng)頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓

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

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

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

14、步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。,18,UIRobt,為什么步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降?,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢；頻率越高，反向電動(dòng)勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。,19,UIRobt,為什么步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲?,步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的

15、脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。,20,UIRobt,如何克服兩相混合式步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)和噪聲?,A.如步進(jìn)電機(jī)正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比等機(jī)械傳動(dòng)避開共振區(qū)；B.采用帶有細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)，如三相或五相步進(jìn)電機(jī)；D.換成交流伺服電機(jī)，幾乎可以完全克服震動(dòng)和噪聲，但成本較高；E.在電機(jī)軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產(chǎn)品，但機(jī)械結(jié)構(gòu)改變較大。,21,UIRobt,為什么步進(jìn)電機(jī)會(huì)出現(xiàn)串、并聯(lián)的情況？,許多 2 相步進(jìn)電機(jī)有8 根引線，這種電機(jī)既可以串聯(lián)連接又可以并聯(lián)連接。 串聯(lián)連接的電機(jī)，電流較小，低頻力矩較大；并聯(lián)連接的電機(jī)，電感較小，所以啟動(dòng)、停止速度較快，高頻力矩有所增大。,22,UIR

17、obt,第二部分 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,23,UIRobt,什么是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器？,是一種能使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的功率放大器，能把控制器發(fā)來的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，電機(jī)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(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式,一般來說，步進(jìn)電機(jī)有恒壓、恒流驅(qū)動(dòng)兩種。恒壓驅(qū)動(dòng)已近淘汰，目前普遍使用橫流驅(qū)動(dòng)。恒流控制的基本思想是通過控制主電路中MOSFET

18、的導(dǎo)通時(shí)間，即調(diào)節(jié)MOSFET觸發(fā)信號(hào)的脈沖寬度，來達(dá)到控制輸出驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)而控制電機(jī)繞組電流的目的。,25,UIRobt,如何簡單調(diào) 整兩相步進(jìn)電機(jī)通電后的運(yùn)轉(zhuǎn)方向？,將電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器接線的A+和A-（或者B+和B-）對(duì)調(diào)即可。,26,UIRobt,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)細(xì)分,細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是一種電流波形控制技術(shù)。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(gè)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(gè)穩(wěn)定的中

19、間狀態(tài)，對(duì)應(yīng)與電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的步數(shù)增多、步距角減小。采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以大大提高步進(jìn)電機(jī)的步距分辨率，減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，避免低頻共振及降低運(yùn)行噪聲。,27,UIRobt,28,細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)是否能代表精度?,步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)，其主要目的是減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)的一個(gè)附帶功能。比如對(duì)于步進(jìn)角為1.8°的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，如果細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為4，那么電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)

20、分辨率為每個(gè)脈沖0.45°，電機(jī)的精度能否達(dá)到或接近0.45°，還取決于細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器精度可能差別很大；細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制。一般來說當(dāng)細(xì)分等級(jí)大于1/4后，步距角的精度不能保證。,28,UIRobt,混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的使能信號(hào)ENA一般在什么情況下使用？,當(dāng)使能信號(hào)ENA為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出到電機(jī)的電流被切斷，電機(jī)轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（脫機(jī)狀態(tài)）。在有些自動(dòng)化 設(shè)

21、備中，如果在驅(qū)動(dòng)器不斷電的情況下要求可以用手動(dòng)直接轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸，就可以將ENA置低，使電機(jī)脫機(jī)，進(jìn)行手動(dòng)操作或調(diào)節(jié)。手動(dòng)完成后，再將ENA信號(hào)置高，以繼續(xù)自動(dòng)控制。,29,UIRobt,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(xì)分H橋雙極恒流輸入信號(hào)光電隔離，標(biāo)準(zhǔn)共陽極單脈沖自動(dòng)電流減半,33,UIRobt,,34,UIRobt,典型接線圖,,35,UIRobt,當(dāng)使用24V加載共用端時(shí)，需用2K 附加限流電阻。每個(gè)信號(hào)端口都需要使用單獨(dú)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(dòng)器背面的電流減半撥碼（即撥碼開關(guān)1

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

24、------------例如實(shí)驗(yàn)室電源，波紋較小。開關(guān)電源----------------機(jī)器設(shè)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(duì)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(duì)開關(guān)電源較高一點(diǎn)，效率上開關(guān)電源好一些。3、開關(guān)電源的尺寸相比線性電源要小但是開關(guān)電源有污染電網(wǎng)和幅射干擾的問題。4、開關(guān)電源不適宜用做在輸出高電壓大電流時(shí)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(duì)固定輸出對(duì)輻射干擾沒有太大要求的場合。,41,UIRobt,開關(guān)電源的主要優(yōu)點(diǎn)： 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(qiáng)、輸出電壓范圍寬、模塊化。 開關(guān)電源的主要缺點(diǎn)： 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(guān)管高頻工

26、作時(shí)的電壓切換、輸出整流二極管的反向恢復(fù)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器直流供電電源？,A、供電電源輸出電壓的確定：混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的供電電源電壓一般是一個(gè)較寬的范圍，電源電壓通常根據(jù)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機(jī)工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)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(dòng)器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動(dòng)器。如果電機(jī)工作轉(zhuǎn)速較低，則可以考慮電壓選