1、步進電動機及驅動技術-寧波舜宇技術交流會020304步進電機的基礎知識兩相混合式步進電動機兩相步進電動機驅動器及電氣連接01選型方法和常用電機驅動問答01.步進電機的基礎知識I . 什么是步進電機 步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時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

2、而達到調速的目的。II.步進電機的分類步進電機在構造上有三種主要類型：反應式定子上有繞組、轉子由軟磁材料組成。結構簡單、成本低、步距角小，可達1.2、但動態性能差、效率低、發熱大，可靠性難保證。永磁式永磁式步進電機的轉子用永磁材料制成，轉子的極數與定子的極數相同。其特點是動態性能好、輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角大（一般為7.5或15）。混合式混合式步進電機綜合了反應式和永磁式的優點，其定子上有多相繞組、轉子上采用永磁材料，轉子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。其特點是輸出力矩大、動態性能好，步距角小，但結構復雜、成本相對較高。II.步進電機的分類按定子上繞組來分共有二相、三相和五相等

3、系列。最受歡迎的是兩相混合式步進電機，約占97%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細分驅動器后效果良好。該種電機的基本步距角為1.8/步，配上半步驅動器后，步距角減少為0.9，配上細分驅動器后其步距角可細分達256倍（0.007/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，實際控制精度略低。同一步進電機可配不同細分的驅動器以改變精度和效果。與伺服電機相比，步進電機具有控制簡單、使用方便、價格便宜等特點步進電機的特點步進電機沒有累積誤差，一般步進電機的精度為步距角的3-5%；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；步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降（U=E+L(di/dt)+IU=

4、E+L(di/dt)+I* *R R）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。02.兩相混合式步進電機I.兩相混合步進電機的結構步進電機有轉子、定子、滾珠軸承、前后端蓋等組成。轉子由鐵芯、永磁體、旋轉軸組成；定子由線圈繞組、定子鐵芯組成。典型的兩相電機步距角為1.8，即電機旋轉一圈為200步。出力軸兩端雖然有軸承支撐，但該軸只能傳遞力矩，不能承受徑向力兩相步進電機工作原理當給A相通電時，由于定子A齒和轉子的1齒相對，沒有切向力，轉子靜止。接著給B相繞組通電時，轉子的位置如圖a，轉子齒偏離定子齒一個角度，由于勵磁磁通力需要沿磁阻最小路徑通過，因此對轉子產生電磁吸力，

5、迫使鉆子齒轉動，當轉子轉到與定子齒對其位置時（圖b），因轉子只受徑向力而無切向力，故轉矩為0，轉子被鎖定在當前位置上由此可見 錯齒是助使步進電機旋轉的根本原因步進電機細分原理未細分時電機一圈： AA-BB-AA-BB兩細分時：AA-AA+BB-BB-BB+AA-AA-AA+BB-BB-BB+AA步進電機細分數越高，電機運轉越平穩；步進電機細分數越低，電機運轉時振動越大。因為細分數高時，電流曲線光滑，所以電機輸出力矩也就波動小連續、電機運行就平穩；電機細分數小，電機電流波動就大，其輸出力矩波動就大，因而造成電機較大的振動，該振動并產生噪音乃至其它部件的諧振噪音。步進電機的力矩特性法拉第電磁感應定

6、律：閉合電路的一部分在磁場中作切割磁力線運動時，導體中就會產生電流；該電流的方向和驅動電機旋轉的電流方向相反。步進電機轉速較高時，其線圈中產生的感應電流抵消了一部分由外部電源電壓產生的電流，所以，步進電機隨著轉速的提高，輸出力矩逐步下降。步進電機參數名詞解釋1. 步進電機相數： 電機內部的線圈組數 目前常用的有兩相、三相、五相步進電機。2.步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移。3.保持轉矩（靜扭矩）：電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。4.定位轉矩：電機在不通電的狀態下，電機轉子自身的鎖定力矩。5.失步：電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。6.矩頻特性：電機在測試條件下測

7、得的輸出力矩與頻率關系的曲線。7.最高啟動頻率：步進電機由靜止突然啟動并進入不失步的正常運行所允許的最高頻率。03.兩相步進電機驅動器是一種能使步進電機運轉的功率放大器，能把控制器發來的脈沖信號轉化為步進電機的角位移；電機的轉速與脈沖頻率成正比，所以控制脈沖頻率可以精確調速，控制脈沖數就可以精確定位。微步驅動技術微步驅動技術是一種電流波形控制技術。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穩定的中間狀態，定子磁場的旋轉過程中也就有了多個穩定的中間狀態，對應于電機轉子旋轉的步數增多、步距角減小。采用細分驅動技術可以大大提高步進電機的步矩分辨率，減小轉矩波動

8、，避免低頻共振及降低運行噪聲 步進電動機微步驅動電路基本結構框圖 步距角：控制系統每發一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機固有步距角 所用驅動器類型及工作狀態 電機運行時的真正步距角 0.9/1.8 驅動器工作在半步狀態 0.9 0.9/1.8驅動器工作在5細分狀態 0.36 0.9/1.8驅動器工作在10細分狀態 0.18 0.9/1.8驅動器工作在20細分狀態 0.09 0.9/1.8驅動器工作在40細分狀態 0.045 實用公式：轉速(r/s）=脈沖頻率 /（電機每轉整步數*細分數） 步進電機細分對控制精度的影響為了定量分析步進電機細分數與運動平臺定位精度之間的關系，我們在一個同步帶

9、傳動的運動平臺上，進行了多組試驗。試驗表明：在同步帶傳動的運動平臺上，步進電機4細分時，電機每步都可以準確定位。 建議在運動控制器輸出的脈沖頻率允許的情況下，盡可能將步進電機驅動器的細分數設大些，以提高運動平臺的運動平穩性；但運動平臺的定位精度只能按步進電機4細分的脈沖當量計算。電機接線方法步進電機驅動器接線方法光電隔離原件作用：電氣隔離、抗干擾共陽極接法、共陰極接法和差分方式接法差分方式典型接線方法串聯、并聯接法電壓和電流與轉速、轉矩的關系電壓和電流與轉速、轉矩的關系 步進電機一定時，供給驅動器的電壓值對電機性能影響大， 電壓越高，步進電機能產生的力矩越大，越有利于需要高速應 用的場合，但電

10、機的發熱隨著電壓、電流的增加而加大，所以 要注意電機的溫度不能超過最大限值。 一個可供參考的經驗值：步進電機驅動器的輸入電壓一般設定在步進 電機額定電壓的310倍。建議：57機座電機采用直流24V-48V，86機座 電機采用直流36-70V,110機座電機采用高于直流80V。使用過程中常見問題及原因分析使用過程中常見問題及原因分析 4.電機的選型計算電機最大速度選擇電機定位精度的選擇電機力矩選擇1.電機速度的選擇步進電機最大速度一般在600800 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 機械傳動比確定后，可

11、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。3. 電機力矩選擇 步進電機的動態力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。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，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為負載的2-3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸)步進電動機與交流伺服電動機的性能比較控制精度不同低頻特性不同矩頻特性不同過載能力不同運行性能不同速度響應性能不同1.效率指標不同控制精度不同兩相步進電機步距角為1.8；德國百格拉公司生產的

12、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。交流伺服電機的控制精度由電機后端的編碼器保證。如帶標準2500線編碼器的電機而言，驅動器內部采用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。 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

13、轉非常平穩，即使在低速時也不會出現低頻振動現象。矩頻特性不同步進電動機的輸出力矩隨轉速升高而下降，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）以內，都能輸出額定轉矩。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。 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丟步或堵轉的現象；停止時如轉速過高，易出現過沖的現象，所以為

14、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，內部構成位置環和速度環，一般不會出現丟步或過沖現象，控制性能更為可靠。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200400ms。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。效率指標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。 八、步進驅動系統的常見問題 1、什么是步進電機？在何種情況下該使用步進電機？2、步進電機分哪幾種？有什么區別？ 步進電機

15、是一種將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號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度。您可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；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。因此在需要準確定位或調速控制時均可考慮使用步進電機。 步進電機分三種：永磁式，反應式和混合式 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

16、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。 保持轉矩（靜扭矩），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隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，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。 3、什么是保持轉矩(靜扭矩）？4、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。5、步進電機的外表溫度允許

17、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，從而導致力矩下降甚至于丟失。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度以上，因此步進電機外表溫度在攝氏度完全正常。6、為什么步進電機的力矩會隨轉速升高而下降？ 7、八線兩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么區別？ 當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將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，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。串聯接法一般在電機轉速較低的場合使用。并聯接法一般在電機轉速較高的場合使用（又稱高速接法）8、如何用簡單的

18、方法調整兩相步進電機通電后的轉動方向？只需將電機與驅動器接線的+和A-（或者B+和B-)對調即可。 9、為什么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，可能發生丟步或堵轉。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，然后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倍。 1 1 、 如 何 確 定 步 進 電 機 驅 動 器 直 流 供 電 電 源 ？