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1、 公司官网： 小丸子教育集团荣誉出品步进电机的选型及故障处理1、步进电机概述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，多相时序控制器虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步
2、进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。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 动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角） 。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，从而达到调速的目的。1、步进电机的主要特点1一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。2步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至 于失步，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；一般来讲，磁性材料
3、的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以 上，所以步进电机外表温度在摄公司官网： 小丸子教育集团荣誉出品氏80-90度完全正常。 3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。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。4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。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，如果脉冲频率高于该值，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
4、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） 。5 步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候， 步进电机静止， 如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。6 三相步进电机的步进角度为7.5 度，一圈360度， 需要48个脉冲完成。7 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。8 改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。因此，目前打印机，绘图仪，机器人，等等设备都以步进电机为动力核心。公司官网： 小丸子教育集团荣誉出品2、步进电机驱动器的特点（
5、1）构成步进电机驱动器系统的专用集成电路：A、脉冲分配器集成电路：如三洋公司的 PMM8713、PMM8723、PMM8714等。B、包含脉冲分配器和电流斩波的控制器集成电路：如 SGS 公司的 L297、L6506等。C、只含功率驱动（或包含电流控制、保护电路）的驱动器集成电路：如日本新电元工业公司的 MTD1110（四相斩波驱动）和 MTD2001（两相、H 桥、斩波驱动） 。D、将脉冲分配器、功率驱动、电流控制和保护电路都包括在内的驱动控制器集成电路，如东芝公司的 TB6560AHQ、MOTOROLA 公司的 SAA1042（四相）和 ALLEGRO公司的 UCN5804（四相）等。（2
6、） “细分驱动”概述：将“电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通过驱动器精确控制步进电机的相电流实现的，与电机本 身无关。其原理是，让定子通电相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一次降为0（绕组电流波形不再是近似方波，而是 N 级近似阶梯波） ，则定子绕组电流所 产生的磁场合力，会使转子有N 个新的平衡位置（形成 N 个步距角） 。公司官网： 小丸子教育集团荣誉出品3、步进电机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
7、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，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最为广泛。4、步进电机的优缺点-优点1 电机旋转的角度正比于脉冲数；2 电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时） ；3 由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；公司官网： 小丸子教育集团荣誉出品4 优秀的起停和反转响应；5 由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；6 电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以
8、采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本；7 仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。8 由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。-缺点1 如果控制不当容易产生共振；2 难以运转到较高的转速。3 难以获得较大的转矩4 在体积重量方面没有优势，能源利用率低。5 超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。5、步进电机基本术语保持转矩（ )是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。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
9、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。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） ，其主要目的是减公司官网： 小丸子教育集团荣誉出品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，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
10、控制。运行矩频特性是电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线 。实用公式：转速(r/s）=脉冲频率 /（电机每转整步数*细分数） mPsrVe 360)/(V：电机转速（R/S） ；P：脉冲频率（Hz） ；e：电机固有步距角；m：细分数（整步为1，半步为2二、电机计算与选型方法选择电机一般应遵循以下步骤： 1、电机最大速度选择 步进电机最大速度一般在 6001200 rpm。公司官网： 小丸子教育集团荣誉出品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
11、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。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）转动惯量计算物体的转动惯量为： dVrJ2式中：dV 为体积元， 为物体密度，r 为体积元
12、与转轴的距离。单位：kgm2将负载质量换算到电机输出轴上转动惯量，常见传动机构与公式如下：公司官网： 小丸子教育集团荣誉出品加速度计算控制系统要定位准确，物体运动必须有加减速过程，如图所示。已知加速时间、最大速度 Vmax，可得电机的角加速度： (rad / s2)tmax电机力矩计算力矩计算公式为：公司官网： 小丸子教育集团荣誉出品/ )(LTJT式中：TL 为系统外力折算到电机上的力矩； 为传动系统的效率。4、计算例题已知：直线平台水平往复运动，最大行程 L400 mm，同步带传动；往复运动周期为 T 4s；重复定位误差 0.05 mm；平台运动质量 M 10 kg，无外力。求：电机型
13、号、同步带轮直径、最大细分数。 运动学计算 平均速度为：smV/ 2 . 02/4 . 0设加速时间为 0.1 S；(步进电机一般取加速时间为：0.11 秒)(伺服电机一般取加速时间为：0.050.5 秒)则加减速时间共为 0.2 S，且加减速过程的平均速度为最大速度的一半。 公司官网： 小丸子教育集团荣誉出品故有：L 0.1 Vmax / 2 1.8 Vmax+ 0.1 Vmax / 2 0.4 m得： Vmax 0.4 / （ 0.2 / 2 1.8 ） 0.211 m/s所以，加速度为：2m/s 11. 21 . 0 0211. 0tVa加速距离：m 0106. 01 . 011. 2
14、21 2122 001atVSS匀速距离：m 380. 08 . 1211. 0max2tVS减速距离和加速距离相同， m 0106. 013 SSm 401. 0321SSSS1、动力学计算 同步带上需要拉力： F M a + f摩擦力：f M g 设导轨摩擦系数 0.1 则摩擦力：f 0.1 10 9.8 9.8 N惯性力: F1 M a 10 2.11 21.1 N故：同步带上要有拉力 F F1+ f 21.19.8 30.9 N2、选择同步带直径 和步进电机细分数 m 设同步带直径 30 mm周长为 C3.14 3.14 30 94.2 mm 核算定位精度： C / (360/1.8 m) C / (200 0.05)= 94.2 / (200 0.05) = 9.42 公司官网： 小丸子教育集团荣誉出品核算最大转速：nmax Vmax/ C 0.211 / (94.2/1000) 2.24 r/s显然，细分数太大，最大转速太低。但是，同步带直径也不可能小 2 倍，所以只能增加一级减速。第 2 级主动轮直径仍取：3 30 mm；第 1 级主动轮直径取：1 25 mm；减速比取：i 1 ：3；则第 1 级从动轮直径为取：275 mm；电机最大转速为：)/(72. 6/3maxmaxsrCVn驱动器细分数：14. 3)/05. 0200/(
