步进电机理论基础

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1、步进电动机及驱动技术,-宁波舜宇技术交流会,02,03,04,步进电机的基础知识,两相混合式步进电动机,两相步进电动机驱动器及电气连接,目 录 / contents,01,选型方法和常用电机驱动问答,01.步进电机的基础知识,I . 什么是步进电机 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件。在非超载的情况下，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

2、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。,II.步进电机的分类 步进电机在构造上有三种主要类型： 反应式 定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。 永磁式 永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5或15）。 混合式 混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本

3、相对较高。,II.步进电机的分类 按定子上绕组来分 共有二相、三相和五相等系列。 最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步距角为1.8/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。 与伺服电机相比，步进电机具有控制简单、使用方便、价格便宜等特点,步进电机的特点,步进电机没有累积误差，一般步进电机的精度为步距角的3-5%； 步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁

4、性材料的退磁点； 步进电机的力矩会随转速的升高而下降（U=E+L(di/dt)+I*R） 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。,02.两相混合式步进电机,I.两相混合步进电机的结构 步进电机有转子、定子、滚珠轴承、前后端盖等组成。转子由铁芯、永磁体、旋转轴组成；定子由线圈绕组、定子铁芯组成。 典型的两相电机步距角 为1.8，即电机旋转一 圈为200步。 出力轴两端虽然有轴承 支撑，但该轴只能传递 力矩，不能承受径向力,两相步进电机工作原理,当给A相通电时，由于定子A齿和转子 的1齿相对，没有切向力，转子静止。 接着给B相绕组通电时，转子的位置如 图a，转子齿偏

5、离定子齿一个角度， 由于励磁磁通力需要沿磁阻最小路径通 过，因此对转子产生电磁吸力，迫使钻 子齿转动，当转子转到与定子齿对其位 置时（图b），因转子只受径向力而无切向力，故转矩为0， 转子被锁定在当前位置上 由此可见 错齿是助使步进电机旋转的根本原因,步进电机细分原理,未细分时 电机一圈： AA-BB-AA-BB 两细分时： AA-AA+BB-BB-BB+AA -AA-AA+BB-BB-BB+AA,步进电机细分数越高，电机 运转越平稳；步进电机细分 数越低，电机运转时振动越 大。 因为细分数高时，电流曲线 光滑，所以电机输出力矩也 就波动小连续、电机运行就平稳；电机细分数小，电 机电流波动就大

6、，其输出力矩波动就大，因而造成电机较 大的振动，该振动并产生噪音乃至其它部件的谐振噪音。,步进电机的力矩特性,法拉第电磁感应定律： 闭合电路的一部分在磁场中作切割磁力线运动时，导体中就会产生电流；该电流的方向和驱动电机旋转的电流方向相反。 步进电机转速较高时，其线圈中产生的感应电流抵消了一部分由外部电源电压产生的电流，所以，步进电机随着转速的提高，输出力矩逐步下降。,步进电机参数名词解释,1. 步进电机相数： 电机内部的线圈组数 目前常用的有两相、三相、五相步进电机。 2.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移。 3.保持转矩（静扭矩）：电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。 4.

7、定位转矩：电机在不通电的状态下，电机转子自身的锁定力矩。 5.失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。 6.矩频特性：电机在测试条件下测得的输出力矩与频率关系的曲线。 7.最高启动频率：步进电机由静止突然启动并进入不失步的正常运行所允许的最高频率。,03.两相步进电机驱动器,是一种能使步进电机运转的功率放大器，能把控制器发来的脉冲信号转化为步进电机的角位移；电机的转速与脉冲频率成正比，所以控制脉冲频率可以精确调速，控制脉冲数就可以精确定位。,微步驱动技术,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和最大值之间给出多个稳定的中间状态

8、，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,步距角：控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。,实用公式：转速(r/s）=脉冲频率 /（电机每转整步数*细分数）,步进电机细分对控制精度的影响,为了定量分析步进电机细分数与运动平台定位精度之间的关系，我们在一个同步带传动的运动平台上，进行了多组试验。 试验表明：在同步带传动的运动平台上，步进电机4细分时，电机每步都可以准确定位。 建议在运动控制器输出的脉冲频率允许的情

9、况下，尽可能将步进电机驱动器的细分数设大些，以提高运动平台的运动平稳性；但运动平台的定位精度只能按步进电机4细分的脉冲当量计算。,电机接线方法,步进电机驱动器接线方法 光电隔离原件作用：电气隔离、抗干扰 共阳极接法、共阴极接法和差分方式接法,差分方式典型接线方法,串联、并联接法,电压和电流与转速、转矩的关系,步进电机一定时，供给驱动器的电压值对电机性能影响大， 电压越高，步进电机能产生的力矩越大，越有利于需要高速应 用的场合，但电机的发热随着电压、电流的增加而加大，所以 要注意电机的温度不能超过最大限值。 一个可供参考的经验值：步进电机驱动器的输入电压一般设定在步进 电机额定电压的310倍。建

10、议：57机座电机采用直流24V-48V，86机座 电机采用直流36-70V,110机座电机采用高于直流80V。,使用过程中常见问题及原因分析,4.电机的选型计算,电机最大速度选择 电机定位精度的选择 电机力矩选择,1.电机速度的选择 步进电机最大速度一般在600800 rpm 交流伺服电机额定速度一般在3000 rpm，最大转速为5000rpm 机械传动系统要根据此参数设计。 2.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。 3. 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

11、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),步进电动机与交流伺服电动机的性能比较 控制精度不同 低频特性不同 矩频特性不同 过载能力不同 运行性能不同 速度响应性能不同 效率指标不同,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

12、进电机的步距角。交流伺服电 机的控制精度由电机后端的编码器保证。如带标准2500线 编码器的电机而言，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。,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。 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

13、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。 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，一般最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。,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

14、 过冲现象，控制性能更为可靠。 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200400ms。 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。 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。,八、步进驱动系统的常见问题,1、什么是步进电机？在何种情况下该使用步进电机？ 2、步进电机分哪几种？有什么区别？,步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步

15、进电机按设定的方向转动一个固定的角度。 您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；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达调速的目的。因此在需要准确定位或调速控制时均可考虑使用步进电机。,步进电机分三种：永磁式，反应式和混合式 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。它又分为两相四相和五相：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

16、。,保持转矩（静扭矩），通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。保持转矩越大则电机带负载能力越强。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。,3、什么是保持转矩(静扭矩）？,4、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。,5、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最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度以上，因此步进电机外表温度在摄氏度完全正常。,6、为什么步进电机的力矩会随转速升高而下降？,7、八线两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？,当步进电机转动时，电机各相绕组的电感