步進電機步進驅動器原理詳細講解

步進電動機簡介

驅動器簡介

電機選型計算方法

計算例題

電機接線

評判步進系統好壞的依據

使用過程中常見問題及原因分析

步進驅動系統的常見問題 （FAQ)

步進電動機與交流伺服電動機的性能比較

驅動器産品測試對比

1.步進電動機的曆史

2.步進電動機的定義

•步進電動機的工作原理

•步進電動機的機座号

•步進電動機構造

•步進電動機主要參數

•步進電動機的特點

一、步進電動機簡介

•步進電動機的曆史：德國百格拉公司于1973年發明了五相混合式步進電機及其驅動器；1993年又推出了性能更加優越的三相混合式步進電機。我國在80年代以前，一直是反應式步進電機占統治地位，混合式步進電機是80年代後期才開始發展。

•步進電動機的定義：是一種專門用于速度和位置精确控制的特種電機，它旋轉是以固定的角度（稱為步距角）一步一步運行的，故稱步進電機。

3. 步進電動機的工作原理

以單極性電機為例來解釋

工作原理

4. 步進電動機的機座号：主要有35、39、42、57、86、110等

5. 步進電動機構造：由轉子（轉子鐵芯、永磁體、轉軸、滾珠軸承），定子（繞組、定子鐵芯），前後端蓋等組成。最典型兩相混合式步進電機的定子有8個大齒，40個小齒，轉子有50個小齒；三相電機的定子有9個大齒，45個小齒，轉子有50個小齒。

6. 步進電動機主要參數

•步進電機的相數：是指電機内部的線圈組數，目前常用的有兩相、三相、五相步進電機。

•拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀态，用m表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數。

•保持轉矩：是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。

•步距角：對應一個脈沖信号，電機轉子轉過的角位移。

•定位轉矩：電機在不通電狀态下，電機轉子自身的鎖定力矩。

•失步：電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。

•失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角産生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。

•運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線 。

7. 步進電機的特點

•一般步進電機的精度為步距角的3-5%，且不累積；

•步進電機外表允許的最高溫度取決于不同電機磁性材料的退磁點；

•步進電機的力矩會随轉速的升高而下降（U=E L(di/dt) I*R）

•空載啟動頻率：即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發生丢步或堵轉。 步進電機的起步速度一般在10~100RPM，伺服電機的起步速度一般在100~300RPM。根據電機大小和負載情況而定，大電機一般對應較低的起步速度。

•低頻振動特性：步進電動機以連續的步距狀态邊移動邊重複運轉。其步距狀态的移動會産生1 步距響應。

電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區向上偏移，反之亦然。步進電機低速轉動時振動和噪聲大是其固有的缺點，克服兩相混合式步進電機在低速運轉時的振動和噪聲方法：

a.通過改變減速比等機械傳動避開共振區；

b.采用帶有細分功能的驅動器；

c.換成步距角更小的步進電機；

d.選用電感較大的電機

e.換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本高；

f.采用小電流、低電壓來驅動。

g.在電機軸上加磁性阻尼器；

(8)中高頻穩定性

電機的固有頻率估算值：

式中：Zr為轉子齒數；Tk為電機負載轉矩；J為轉子轉動貫量

•恒流驅動

2.單極性驅動

3.雙極性驅動

4.微步驅動

5.步進電動機的閉環伺服控制

6.導通和截止時的電機繞組電流和電壓的關系

7.電壓和電流與轉速、轉矩的關系

1.電機最大速度選擇

2.電機定位精度的選擇

3.電機力矩選擇

三、電機選型計算方法

選擇電機一般應遵循以下步驟：

•電機最大速度選擇

步進電機最大速度一般在600 rpm。交流伺服電機額定速度一般在3000 rpm，最大轉速為5000rpm。機械傳動系統要根據此參數設計。

2. 電機定位精度的選擇

機械傳動比确定後，可根據控制系統的定位精度選擇步進電機的步距角及驅動器的細分等級。一般選電機的一個步距角對應于系統定位精度的1/2 或更小。注意：當細分等級大于1/4後，步距角的精度不能保證。伺服電機編碼器的分辨率選擇：分辨率要比定位精度高一個數量級。

3. 電機力矩選擇

步進電機的動态力矩一下子很難确定，我們往往先确定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進隻要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍内好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能确定下來（幾何尺寸）

•轉動慣量計算物體的轉動慣量為：

式中：dV為體積元，為物體密度，r為體積元與轉軸的距離。單位：kgm2

将負載質量換算到電機輸出軸上轉動慣量，常見傳動機構與公式如下：

(1)加速度計算

控制系統要定位準确，物體運動必須有加減速過程，如下圖所示。

已知加速時間 、最大速度Vmax，可得電機的角加速度：

(1)電機力矩計算

力矩計算公式為：

式中：TL為系統外力折算到電機上的力矩，為傳動系統的效率。

四、計算例題（直線運動）

1.運動學計算

2.動力學計算

3.選擇同步帶直徑Φ和步進電機細分數m

4.計算電機力矩，選擇電機型号

四、計算例題（直線運動）

1.步進電機驅動器接線方法

(2)光電隔離原件作用：電氣隔離、抗幹擾

(3)共陽極接法、共陰極接法和差分方式接法

共陽極接法

共陰極接法

差分方式典型接線方法

1.4、6和8線電機接線方法

a) 四線電機和六線電機高速度模式：輸出電流設成等于或略小于電機額定電流值；

b) 六線電機高力矩模式：輸出電流設成電機額定電流的0.7倍；

c) 八線電機并聯接法：輸出電流應設成電機單極性接法電流的1.4倍；

d) 八線電機串聯接法：輸出電流應設成電機單極性接法電流的0.7倍 。

1）振動、噪音（運行平穩性）；

2）中、高速力矩；

3）溫升（發熱情況）；

4）保護功能；

5）可靠性

1、什麼是步進電機？在何種情況下該使用步進電機？

步進電機是一種将電脈沖轉化為角位移的執行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信号，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）。

您可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準确定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達調速的目的。因此在需要準确定位或調速控制時均可考慮使用步進電機。

2、步進電機分哪幾種？有什麼區别？

步進電機分三種：永磁式（ＰＭ），反應式（ＶＲ）和混合式（ＨＢ）

永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；

反應式步進一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發達國家８０年代已被淘汰。 混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相四相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。

3、什麼是保持轉矩(HOLDING TORQUE）？

保持轉矩（ＨＯＬＤＩＮＧ　ＴＯＲＱＵＥ)是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。保持轉矩越大則電機帶負載能力越強。由于步進電機的輸出力矩随速度的增大而不斷衰減，輸出功率也随速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機重要的參數之一。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矩為2N.m的步進電機。

4、步進電機的驅動方式有幾種？

一般來說，步進電機有恒壓，恒流驅動兩種，恒壓驅動已近淘汰，目前普遍使用恒流驅動。

5、步進電機精度為多少？是否累積？

一般步進電機的精度為步進角的3-5%。步進電機單步的偏差并不會影響到下一步的精度因此步進電機精度不累積。

6、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，從而導緻力矩下降甚至于丢失。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；一般來說，磁性材料的退磁點都在攝氏１３０度以上，因此步進電機外表溫度在攝氏８０－９０度完全正常。

7、為什麼步進電機的力矩會随轉速升高而下降？

當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感将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，電機随頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導緻力矩下降。

8、為什麼步進電機低速時可以正常運轉，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：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發生丢步或堵轉。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動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然後按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。我們建議空載啟動頻率選定為電機運轉一圈所需脈沖數的２倍。

9、如何克服兩相混合式步進電機在低速運轉時的振動和噪聲？

• 步進電機低速轉動時振動和噪聲大是其固有的缺點，一般可采用以下方案來克服：

A、如步進電機正好工作在共振區，可通過改變減速比提高步進電機運行速度。

Ｂ、采用帶有細分功能的驅動器，這是最常用的，最簡便的方法。因為細分型驅動器電機的相電流變流較半步型平緩。

Ｃ、換成步距角更小的步進電機，如三相或五相步進電機，或兩相細分型步進電機。

Ｄ、換成直流或交流伺服電機，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，市場上已有這種産品，但機械結構改變較大。

10、細分驅動器的細分數是否能代表精度？

步進電機的細分技術實質上是一種電子阻尼技術（請參考有關文獻），其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉精度隻是細分技術的一個附帶功能。比如對于步進角為1.8度的兩相混合式步進電機，如果細分驅動器的細分數設置為４，那麼電機的運轉分辨率為每個脈沖0.45度，電機的精度能否達到或接近0.45度，還取決于細分驅動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅動器精度可能差别很大；細分數越大精度越難控制。

11、四相驅動合式步進電機與驅動器的串聯接法和并聯接法有什麼區别？

四相混合式步進電機一般由兩相驅動器來驅動，因此，連接時可以采用串聯接法或并聯接法将四相電機接成兩相使用。串聯接法一般在電機轉速較的場合使用。此時需要的驅動器輸出電流為電機相電流的0.7倍，因而電機發熱小；并聯接法一般在電機轉速較高的場合使用（又稱高速接法），所需要的驅動器輸出電流為電機相電流的1.4倍，因而電機發熱較大。

12、如何确定步進電機驅動器直流供電電源？

Ａ、供電電源供電電壓的确定

1.控制精度不同

2.低頻特性不同

3.矩頻特性不同

4.過載能力不同

5.運行性能不同

6.速度響應性能不同

7.效率指标不同

1.控制精度不同

兩相步進電機步距角為1.8°；德國百格拉公司生産的三相混合式步進電機及驅動器，可以細分控制來實現步距角為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相步進電機的步距角。交流伺服電動機的控制精度由電動機後端的編碼器保證。如對帶标準2500線編碼器的電動而言，驅動器内部采用4倍頻率技術，則其脈沖當量為360°/10000=0.036° ；對于帶17位編碼器的電動機而言，驅動器每接收217 =131072個脈沖電動機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=0.00274658°，是步距角為1.8°的步進電機脈沖當量的1/655。

1.低頻特性不同

兩相混合式步進電動機在低速運轉時易出現低頻振動現象。交流伺服電動機運轉非常平穩，即使在低速時也不會出現低頻振動現象。

2.矩頻特性不同

步進電動機的輸出力矩随轉速升高而下降，且在較高速是會急劇下降。交流伺服電動機為恒力矩輸出，即在額定轉速（如3000RPM）以内，都能輸出額定轉矩。

3.過載能力不同

步進電動機一般不具有過載能力，而交流伺服電動機有較強的過載能力，一般最大轉矩可為額定轉矩的3倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電動機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電動機，便出現了力矩浪費的現象。

1.運行性能不同

步進電動機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丢步或堵轉的現象；停止時如轉速過高，易出現過沖的現象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環控制，内部構成位置環和速度環，一般不會出現丢步或過沖現象，控制性能更為可靠。

2.速度響應性能不同

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。交流伺服驅動系統的加速性能較好，從靜止加速到工作速度（如3000RPM），一般僅需幾毫秒，可用于快速啟動的控制場合。

3.效率指标不同

步進電動機的效率比較低，一般60%以下。交流伺服電機的效率比較高，一般80%以上。因此步進電動機的溫升也比交流伺服電機的高。

19. 關于驅動器上電時的問題：

上電時因欠壓保護鎖定功能導緻的非預期亮紅燈報警原因及處理措施。

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