日期：2022-12-06 11:53 浏览次数：0
步进电机步进驱动器原理详细讲解
步进电动机简介
驱动器简介
电机选型计算方法
计算例题
电机接线
评判步进系统好坏的依据
使用过程中常见问题及原因分析
步进驱动系统的常见问题 （FAQ)
步进电动机与交流伺服电动机的性能比较
驱动器产品测试对比
:
1.步进电机的历史
2.步进电机的定义
步进电机的工作原理
步进电机的基数
步进电机结构
步进电机的主要参数
步进电机的特点
一、步进电动机简介
步进电机历史：1973年，德国Bergera公司发明了五相混合式步进电机及其驱动器；1993年推出了性能更好的三相混合式步进电机。80年代以前，我国以反应式步进电机为主，混合式步进电机是80年代后期才发展起来的。
步进电机的定义：是一种专门用于精确控制速度和位置的特种电机。它的旋转以一个固定的角度(称为步距角)一步一步地运行，所以叫步进电机。
3.步进电机的工作原理
以单极电机为例来说明。
操作原理
4.步进电机的基数：35，39，42，57，86，110等。
5. 步进电机结构：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。最典型的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。
6.步进电机主要参数
步进电机的相数：指电机中线圈组的数量。目前常用的有两相、三相、五相步进电机。
拍数：完成磁场周期性变化所需的脉冲数或导通状态，用M表示，或电机转动一个桨距角所需的脉冲数。
保持转矩：指步进电机通电但不转动时，定子锁住转子的转矩。
步距角：电机转子对应一个脉冲信号的角位移。
定位扭矩：电机不通电时电机转子的锁定扭矩。
失步：电机运行时的运行步数，不等于理论步数。
不对中角：转子齿轴线偏离定子齿轴线的角度。电机运行必然存在失准角，失准角带来的误差不是细分驱动能解决的。
运行转矩-频率特性：在一定的试验条件下，测量电机运行时输出转矩与频率的关系曲线。
7.步进电机的特点
一般步进电机精度为步距角的3-5%，不累加；
步进电机表面最高允许温度取决于不同电机磁性材料的退磁点；
步进电机的转矩会随着转速的增加而减小(U=E+L(di/dt)+I*R）
空载频率：步进电机在空载条件下能正常启动的脉冲频率。如果脉冲频率高于此值，电机不能正常启动，可能会失步或失速。步进电机的启动速度一般为10 ~ 100转/分，伺服电机的启动速度一般为100 ~ 300转/分。根据电机的大小和负载，大电机一般对应较低的起动转速。
低频振动特性：步进电机在连续步进状态下运动的同时反复运行。其跨步状态的移动将产生一个单跨步响应。
电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，谐振区上移，反之亦然。步进电机低速时的振动和噪声是其固有的缺点。克服两相混合式步进电机低速振动和噪声的方法如下：
A.通过改变减速比等机械传动，避开共振区；
b .采用具有细分功能的驱动器；
C.换成步距角更小的步进电机；
D.选择电感大的电机。
E.换成交流伺服电机几乎可以完全克服振动和噪音，但成本高；
f .采用小电流、低电压驱动。
G.给电机轴增加磁阻尼器；
(8)中高频稳定性
电机的估计固有频率：
式中：Zr为转子齿数；Tk是电机负载转矩；j是转子旋转通量
恒流驱动
2.单极驱动
3.双极驱动
4.微步进驱动
5.步进电机的闭环伺服控制
6.电机绕组通断时电流与电压的关系
7.电压和电流以及速度和转矩之间的关系
1.电机最大速度的选择
2.电机定位精度的选择
3.电机扭矩的选择
三。电机选型的计算方法
通常，选择电机时应遵循以下步骤：
电机最大速度的选择
步进电机最高转速一般为600转/分。交流电机额定转速一般为3000转/分，最高转速为5000转/分。机械传动系统应按此参数设计。
2.电机定位精度的选择
机械传动比确定后，可以根据控制系统的定位精度选择步进电机的步距角和驱动器的细分级别。通常，电机选择的步距角对应于系统定位精度的1/2或更小。注意：当细分级别大于1/4时，无法保证步距角的精度。伺服编码器分辨率选择：分辨率比定位精度高一个数量级。
3.电机扭矩的选择
很难一下子确定步进电机的动态转矩，所以我们往往先确定电机的静态转矩。静态转矩的选择是基于电机的工作负载，负载分为惯性负载和摩擦负载。直接起动时(一般从低速开始)，两种负载都要考虑。加速起动时要考虑惯性负载，匀速运行时要考虑摩擦负载。一般情况下，静态扭矩应在摩擦载荷的2-3倍以内。一旦选定了静态扭矩，就可以确定电机的底座和长度(几何尺寸)。
惯性矩将物体的惯性矩计算为：
: dV是体积元素，物体的密度，R是体积元素到旋转轴的距离。单位：千克米2
将负载质量转换为电机输出轴上的惯性矩。常见的传输机制和公式如下：
(1)加速度计算
如果要精确定位控制系统，必须加速和减速物体的运动，如下图所示。
给定加速时间和最大速度Vmax，可以获得电机的角加速度：
(1)电机转矩的计算
弯矩计算公式为：
其中：TL是系统外力转化为电机的扭矩，是传动系统的效率。
四、计算实例(直线运动)
1.运动学计算
2.动态计算
3.选择同步带直径和步进电机细分数m。
4.计算电机扭矩并选择电机型号。
四、计算实例(直线运动)
1.步进电机驱动器接线方法
(2)光电隔离元件的作用：电气隔离和抗干扰。
(3)共阳极连接、共阴极连接和差动连接。
阳极接合法
阴极连接方法
差模的典型连接方法
1.4、6和8线电机接线方法
a)四线电机和六线电机高速模式：输出电流设定为等于或略小于电机的额定电流值；
b)六线电机高转矩模式：输出电流设定为电机额定电流的0.7倍；
c)八线电机并联方式：输出电流应设定为电机单极连接电流的1.4倍；
d)八线电机串联：输出电流应设定为电机单极连接电流的0.7倍。
1)振动和噪音(运行稳定性)；
2)中高速扭矩；
3)温度上升(发热)；
4)保护功能；
5)可靠性
:
1.什么是步进电机？什么情况下应该使用步进电机？
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。一般来说，步进驱动器接收到一个脉冲信号，就驱动步进电机在设定的方向上旋转一个固定的角度(和步进角度)。
你可以通过控制脉冲的个数来控制角位移，从而达到精确定位的目的；同时，你可以通过控制脉冲频率来控制电机的速度和加速度，从而达到调速的目的。所以需要精确定位或速度控制时，可以考虑步进电机。
2.什么种类
反应式步进一般为三相，可以实现大扭矩输出。步进角度一般在1.5度，但是噪音和震动都很大。80年代在欧美等发达国家已被淘汰。混合式步进是指结合永磁体和反应式的优点。分为两相、四相和五相：两相步进角一般为1.8度，五相步进角一般为0.72度。这种步进电机应用广泛。
3.什么是保持扭矩？
保持转矩是指步进电机通电但不转动时，定子锁住转子的转矩。它是步进电机最重要的参数之一。通常情况下，步进电机低速时的转矩接近于保持转矩。保持转矩越大，电机的负载能力越强。由于步进电机的输出转矩随着速度的增加而减小，输出功率也随着速度的增加而变化，所以保持转矩成为衡量步进电机的重要参数之一。比如，当人们说步进电机为2N.m时，除非特别说明，否则都是指转矩为2N。米（meter的缩写））
4.步进电机的驱动方式有哪些？
一般来说，步进电机有两种：恒压驱动和恒流驱动。恒压驱动几乎已经被淘汰，目前广泛使用的是恒流驱动。
5.步进电机的精度是多少？积累？
一般步进电机的精度是步距角的3-5%。步进电机一步的偏差不会影响下一步的精度，所以步进电机的精度不会累加。
6.步进电机允许的表面温度是多少？
步进电机的高温首先会使电机的磁性材料退磁，导致转矩降低甚至损失。因此，电机表面的最高允许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130摄氏度以上，所以步进电机外部温度在80-90摄氏度是完全正常的。
7.为什么步进电机的转矩会随着转速的增加而减小？
步进电机旋转时，电机各相绕组的电感会形成反电动势；频率越高，反电动势越大。在其作用下，电机的相电流随着频率(或转速)的增大而减小，从而导致转矩的减小。
8.为什么步进电机低速可以正常运行，但高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫？
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，可能会失步或失速。在负载条件下，起动频率应更低。如果电机要高速旋转，脉冲频率要有一个加速过程，即起始频率低，然后以一定的加速度上升到所需的高频(电机转速从低速上升到高速)。我们建议空载启动频率应选择为电机旋转一周所需脉冲数的两倍。
9.如何克服两相混合式步进电机低速运行时的振动和噪音？
步进电机低速旋转时的振动和噪声是其固有的缺点。一般可以采用以下解决方法来克服：a .如果步进电机刚好工作在谐振区，可以通过改变减速比来提高步进电机的运行速度。
b、使用带细分功能的驱动，这是最常用也是最简单的方法。因为细分驱动电机的相电流转换比半步驱动电机平缓。
C.换成步距角更小的步进电机，比如三相或五相步进电机，或者两相细分步进电机。
D.改用DC或交流伺服电机几乎可以完全克服振动和噪音，但成本较高。
e、给电机轴加磁阻尼器。市场上已经有这种产品，但是机械结构发生了很大的变化。
10.细分驱动的细分数能代表精度吗？
步进电机的细分技术本质上是一种电子阻尼技术(请参考相关文献)，其主要目的是减少或消除步进电机的低频振动，提高电机的运行精度只是细分技术的附带功能。例如，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，则电机的运行分辨率为每脉冲0.45度，电机的精度能否达到或接近0.45度取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其他因素。不同厂商的细分驱动精度可能相差很大；细分数越大，精度越难控制。
11.四相驱动组合式步进电机和驱动器的串联方式和并联方式有什么区别？
四相混合式步进电机一般由两相驱动器驱动，所以四相电机可以串联或并联成两相。串联方式一般用于电机转速较高的场合。此时驱动器所需输出电流是电机相电流的0.7倍，所以电机发热很小；并联方式一般用于电机转速较高的场合(也叫高速连接方式)，驱动器所需输出电流为电机相电流的1.4倍，因此电机发热较大。
12.如何确定步进电机驱动器的DC电源？
一、电源电压的确定
:
1.不同控制精度
2.不同的低频特性
3.不同的矩频特性。
4.过载能力不同。
5.不同的运行性能
6.不同速度响应性能
7.不同的效率指标
:
1.不同控制精度
两相步进电机步距角为1.8；德国Bergera公司生产的三相混合式步进电机及驱动器，可通过细分控制实现1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036步距角，兼容两相、五相步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机后端的编码器来保证。对于一台标准2500线编码器的电动机，如果驱动器采用4倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036；对于17位编码器的电机，驱动器每次接收217=131072个脉冲，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。
1.不同的低频特性
两相混合式步进电机在低速运行时容易产生低频振动。交流伺服电机运行平稳，即使低速也不会有低频振动。
2.不同的矩频特性。
步进电机的输出转矩随着转速的增加而减小，在更高的转速下会急剧减小。交流伺服电机有恒转矩输出，即能在额定转速范围内(如3000转/分)输出额定转矩。
3.过载能力不同。
步进电机一般没有过载能力，而交流伺服电机过载能力很强。一般最大扭矩可以是额定扭矩的三倍，用来克服起动瞬间惯性负载的惯性力矩。步进电机不具备这种过载能力，所以为了克服这种惯性矩，往往需要选择转矩较大的电机，导致转矩浪费的现象。
1.不同的运行性能
步进电机的控制是开环控制，启动频率过高或负载过大时容易失步或失速。停机时，如果转速过高，很容易超调。所以要保证控制精度，就要处理好上升和下降的问题。交流伺服驱动系统是一个闭环控制系统，由位置环和速度环组成。一般没有失步和超调，控制性能比较可靠。
2.不同速度响应性能
步进电机从静止加速到工作速度(通常为几百转/分)需要200~400ms。交流传动系统具有良好的加速性能，从静止加速到工作转速(如3000转/分)通常只需几毫秒，因此可用于快速启动控制场合。
3.不同的效率指标
步进电机的效率相对较低
