步进电机知识框架

时间：2021-11-19作者：湖北省石佳电气有限公司浏览：770

一、步进电机基础知识1、概述：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非**载的情况下，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，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。2、概念：步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器原理：3、结构步进电动机构造：由转子（转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠轴承），定子（绕组、定子铁芯），前后端盖等组成。较典型两相混合式步进电机的定子有8个大齿，40个小齿，转子有50个小齿；三相电机的定子有9个大齿，45个小齿，转子有50个小齿。4、工作原理：通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。5、分类步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，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。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。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较为广泛。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。5.1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。5.2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，是目前性能较高的步进电动机。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较为广泛。6、选择步进电机的步骤选择电机一般应遵循以下步骤：6.1确定负载转矩ML=G.rG：负载的质量R：半径6.2确定负载惯量JL=J.w J=M.(R1²+R2²)/2 w:角加速度6.3电机定位精度的选择 机械传动比确定后，可根据控制系统的定位精度选择步进电机的步距角及驱动器的细分等级。一般选电机的一个步距角对应于系统定位精度的1/2 或更小。注意：当细分等级大于1/4后，步距角的精度不能保证。6.4电机力矩选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）备注：版本21. 根据电源电压、使用条件、拖动对象选择电动机.要求电源电压与电动机额定电压相符.2. 根据安装地点和工作环境选择不同型式的电动机.3. 根据容量、效率、功率因数、转数选择电动机.如果容量选择过小,就会发生长期过载现象,影响电动机寿命甚至烧毁.如果容量选择过大,电动机的输出机械功率不能充分利用,功率因数也不高.因为电动机的功率因数和效率是随着负载变化的.4. 电动机在恒定负载运行下,功率计算公式如下: P1 P＝―――― η1η式中:P-----电动机的功率(KW);P1----生产机械功率(KW);η1----生产机械本身效率;η ----电动机效率. 上式计算出的功率不一定与产品规格相同,所以选择电动机的额定功率(P1)应等于或稍大于计算所得的功率。7、矩频特性分析矩频特性是电机性能的重要表现，但对于不同的驱动电路其曲线特性会有区别，所以矩频特性曲线图供用户参考。步进电机的力矩会随转速的升高而下降（U=E+L(di/dt)+I*R）8、确定合理加速度步进电机较大速度一般在600～1200 rpm。控制系统要定位准确，物体运动必须有加减速过程当电机的启动和运行频率点在矩频特性曲线的范围内时，合理地加速度有利于提高电机的效率，合理的减速有利于减小转动惯性。9、电机命名规则（不同公司不同命名规则，这个是我公司这边的）范例：17 H D 0 01 – 11 2 3 4 5 61. 机座代号：电机外径 （10倍英寸）（例如17HD=1.7”）电机的安装尺寸代码 1英寸=2.54厘米2. 电机类型代码字母“H”代表混合式步进电机的意思3. 步距角类型代码D/1.8°大转子，Y/1.8°小转子4. 机身长度代码表示定子铁芯长度的代码5. 性能参数代码用于区分力矩、电流等性能的代码6. 派生产品代码出轴、引线等不同，用数字和字母组成数字，字母二、步进电机的几个重要概念1. 步距角动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。电机固有步距角 所用驱动器类型及工作状态 电机运行时的真正步距角 0.9°/1.8° 驱动器工作在半步状态 0.9° 0.9°/1.8°驱动器工作在5细分状态 0.36° 0.9°/1.8°驱动器工作在10细分状态 0.18° 0.9°/1.8°驱动器工作在20细分状态 0.09° 0.9°/1.8°驱动器工作在40细分状态 0.045° 2. 静力矩或者叫保持转矩（HOLDING TORQUE） 电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机较重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机较重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。步进电机的保持转矩，近似于传统电机所称的“功率”。当然，有着本质的区别。步进电机的物理结构，完全不同于交流、直流电机，步进电机的输出功率是可变的。通常根据需要的转矩大小（即所要带动物体的扭力大小），来选择哪种型号的步进电机。大致说来，扭力在0.8N.m以下，选择28、35、39、42（电机的机身直径或方度，单位：mm);扭力在1N.m左右的，选择57电机较为合适。扭力在几个N.m或更大的情况下，就要选择75、85、86、90、110、130等规格的步进电机。对于步进电机的转速也要特别考虑。因为，步进电机的输出转矩，与转速成反比。就是说，步进电机在低速（每分钟几百转或更低转速，其输出转矩较大），在高速旋转状态的转矩（1000转/分--9000转）就很小了。当然，有些工作环境需要高速步进电机，就要对步进电机的线圈电阻、电感等指标进行衡量。选择电感稍小一些的步进电机，作为高速步进电机，能够获得较大输出转矩。反之，要求低速大力矩的情况下，就要选择电感在十几或几十mH,电阻也要大一些为好。 3. 谐振频率4. 负载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**该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。5. 失步电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。6. 微步驱动 微步驱动技术是一种电流波形控制技术。其基本思想是控制每相绕组电流的波形，使其阶梯上升或下降，即在0和较大值之间给出多个稳定的中间状态，定子磁场的旋转过程中也就有了多个稳定的中间状态，对应于电机转子旋转的步数增多、步距角减小。采用细分驱动技术可以大大提高步进电机的步矩分辨率，减小转矩波动，避免低频共振及降低运行噪声 步进电动机微步驱动电路基本结构框图4、步进电机的驱动方式有几种？ 一般来说，步进电机有恒压，恒流驱动两种，恒压驱动已近淘汰，目前普遍使用恒流驱动5、步进电机精度为多少？是否累积？ 一般步进电机的精度为步进角的3-5%。步进电机单步的偏差并不会影响到下一步的精度因此步进电机精度不累积。 6、步进电机的外表温度允许达到多少？ 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降甚至于丢失。因此电机外表允许的较高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来说，磁性材料的退磁点都在摄氏１３０度以上，因此步进电机外表温度在摄氏８０－９０度完全正常。7、为什么步进电机的力矩会随转速升高而下降？ 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。 8、为什么步进电机低速时可以正常运转，但若**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**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）。我们建议空载启动频率选定为电机运转一圈所需脉冲数的２倍。 9、如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声？ 　　步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服： A、如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比提高步进电机运行速度。 　　Ｂ、采用带有细分功能的驱动器，这是较常用的，较简便的方法。因为细分型驱动器电机的相电流变流较半步型平缓。 　　Ｃ、换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机，或两相细分型步进电机。 　　Ｄ、换成直流或交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高。 　　Ｅ、在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。10、细分驱动器的细分数是否能代表精度？ 　　步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8度的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为４，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45度，电机的精度能否达到或接近0.45度，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。 11、四相驱动合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别？ 四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较的场合使用。此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍，因而电机发热较大12、如何确定步进电机驱动器直流供电电源？ Ａ、供电电源供电电压的确定 混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围，电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能**过驱动器的较大输入电压，否则可能损坏驱动器。如果电机工作转速较低，则可以考虑电压选取较低值。 Ｂ、供电电源输出电流的确定 供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流Ｉ来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取Ｉ的1.1-1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取Ｉ的1.5-2.0倍。如果一个供电源同时给几个驱动器供电，则应考虑供电电源的电流应适当加倍。 13、混合式步进电机驱动器的使能信号Ｅna一般在什么情况下使用？ 当使能信号Ｅna为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求可以用手动直接转动电机轴，就可以将Ｅna置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将Ｅna信号置高，以继续自动控制。 14、如何用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向？ 只需将电机与驱动器接线的Ａ+和A-（或者B+和B-)对调即可7. 丢步是步进电机设计中的一个致命问题，若不能很好地把握此技术就不能使用步进电机来作为工业控制。产生丢步的主要原因有：1》负荷过重（含阻力过大）2》频率过高3》驱动电压过低。关于频率，如果细分不是太高的话，主要取决于较后输出的转速，因不同的电机及驱动器其输出转速差别很大，但根据我的实际经验，想**过300转（每分钟）是比较困难的。100－200转是没有问题的。你可以降到100转试试，如果还丢步，你就要看一看你的脉冲信号是否有效（电流是否**过10mA）。步进电动机与交流伺服电动机的性能比较 1. 控制精度不同两相步进电机步距角为1.8°；德国百格拉公司生产的三相混合式步进电机及驱动器，可以细分控制来实现步距角为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相步进电机的步距角。交流伺服电动机的控制精度由电动机后端的编码器保证。如对带标准2500线编码器的电动而言，驱动器内部采用4倍频率技术，则其脉冲当量为360°/10000=0.036° ；对于带17位编码器的电动机而言，驱动器每接收217 =131072个脉冲电动机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=0.00274658°，是步距角为1.8°的步进电机脉冲当量的1/655。 2. 低频特性不同两相混合式步进电动机在低速运转时易出现低频振动现象。交流伺服电动机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现低频振动现象。3. 矩频特性不同步进电动机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高速是会急剧下降。交流伺服电动机为恒力矩输出，即在额定转速（如3000RPM）以内，都能输出额定转矩。4. 过载能力不同步进电动机一般不具有过载能力，而交流伺服电动机有较强的过载能力，一般较大转矩可为额定转矩的3倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电动机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电动机，便出现了力矩浪费的现象。 5. 运行性能不同步进电动机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象；停止时如转速过高，易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，内部构成位置环和速度环，一般不会出现丢步或过冲现象，控制性能更为可靠。6. 速度响应性能不同 步进电动机从静止加速到工作速度（一般为几百RPM）需要200~400ms。交流伺服驱动系统的加速性能较好，从静止加速到工作速度（如3000RPM），一般仅需几毫秒，可用于快速启动的控制场合。7. 效率指标不同步进电动机的效率比较低，一般60%以下。交流伺服电机的效率比较高，一般80%以上。因此步进电动机的温升也比交流伺服电机的高。 如果力矩不大，选择步进电机，首先要知道步进电机的空载启动频率，既不加负载时，达到你的转速要求的脉冲数一定要小于空载启动频率，否则丢步一般的步进如果丢步的话，加不加负载都一样啊。而且，应该是加了负载更容易丢步。步进电机有没大的电机能带大负载，伺服电机呢？要做定位又要提升比较重的物品，电机+编码器来做始终没有步进方便，故有此问。这个要看你的速度要求的，如果速度又快负载又大，那没法用步进电机的。如果速度不快的话那完全可以用步进电机加减速来完成，低速情况下步进电机的优势很明显的，转矩大，稳定性好。如果是在高速的话那没法用步进电机实现了，电机+编码器，现在有现成的驱动器模块的也很方便的。步进本身的原理决定了它的输出转矩有限，带大负载基本不可能。伺服当然好，但是很贵。。。一分钱一分货。其实电机+编码器也挺好用的啊？有时候会配合其他传感器一起用，限位啊行程传感啊之类，反正负载越重往往精密度要求越低。频率增高以后步进电机的负载能力下降的原因：(1)、定子绕组电感的影响：因为步进电机的每相绕组是一个电感线圈，它具有一定的电感，而电感有延缓电流变化的特性。通俗地讲，当低频时每相绕组通电时间和断电的时间比较长，大于线圈的时间常数，线圈来得及获得较高电流。而高频率时每相绕组通电时间和断电时间都很短，远小于线圈的时间常数，线圈获得的电流就很小。而转矩近似地与电流的平方成正比，这样频率越高，绕组中的平均电流越小，电机的平均转矩大大下降，负载能力也就大大下降了。 (2)、当频率增加，步进电机铁心中的涡流损耗也将很快增加，这也是使输出功率和输出转矩下降的一个因素。 (3)、所以当输入脉冲频率增高后，步进电机的负载能力逐渐下降，到某一频率以后，步进电机已带不动任何负载。




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