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步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器原理詳細(xì)講解
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介
驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)介
電機(jī)選型計(jì)算方法
計(jì)算例題
電機(jī)接線(xiàn)
評(píng)判步進(jìn)系統(tǒng)好壞的依據(jù)
使用過(guò)程中常見(jiàn)問(wèn)題及原因分析
步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的常見(jiàn)問(wèn)題 （FAQ)
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與交流伺服電動(dòng)機(jī)的性能比較
驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品測(cè)試對(duì)比
:
1.步進(jìn)電機(jī)的歷史
2.步進(jìn)電機(jī)的定義
步進(jìn)電機(jī)的工作原理
步進(jìn)電機(jī)的基數(shù)
步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)
步進(jìn)電機(jī)的主要參數(shù)
步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)
一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介
步進(jìn)電機(jī)歷史：1973年，德國(guó)Bergera公司發(fā)明了五相混合式步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器；1993年推出了性能更好的三相混合式步進(jìn)電機(jī)。80年代以前，我國(guó)以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為主，混合式步進(jìn)電機(jī)是80年代后期才發(fā)展起來(lái)的。
步進(jìn)電機(jī)的定義：是一種專(zhuān)門(mén)用于精確控制速度和位置的特種電機(jī)。它的旋轉(zhuǎn)以一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為步距角)一步一步地運(yùn)行，所以叫步進(jìn)電機(jī)。
3.步進(jìn)電機(jī)的工作原理
以單極電機(jī)為例來(lái)說(shuō)明。
操作原理
4.步進(jìn)電機(jī)的基數(shù)：35，39，42，57，86，110等。
5. 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)：由轉(zhuǎn)子(轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體、轉(zhuǎn)軸、滾珠軸承)、定子(繞組、定子鐵芯)、前后端蓋等組成。最典型的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的定子有8個(gè)大齒，40個(gè)小齒，轉(zhuǎn)子有50個(gè)小齒。三相電機(jī)的定子有9個(gè)大齒，45個(gè)小齒，轉(zhuǎn)子有50個(gè)小齒。
6.步進(jìn)電機(jī)主要參數(shù)
步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)：指電機(jī)中線(xiàn)圈組的數(shù)量。目前常用的有兩相、三相、五相步進(jìn)電機(jī)。
拍數(shù)：完成磁場(chǎng)周期性變化所需的脈沖數(shù)或?qū)顟B(tài)，用M表示，或電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)槳距角所需的脈沖數(shù)。
保持轉(zhuǎn)矩：指步進(jìn)電機(jī)通電但不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩。
步距角：電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)的角位移。
定位扭矩：電機(jī)不通電時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子的鎖定扭矩。
失步：電機(jī)運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行步數(shù)，不等于理論步數(shù)。
不對(duì)中角：轉(zhuǎn)子齒軸線(xiàn)偏離定子齒軸線(xiàn)的角度。電機(jī)運(yùn)行必然存在失準(zhǔn)角，失準(zhǔn)角帶來(lái)的誤差不是細(xì)分驅(qū)動(dòng)能解決的。
運(yùn)行轉(zhuǎn)矩-頻率特性：在一定的試驗(yàn)條件下，測(cè)量電機(jī)運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)。
7.步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)
一般步進(jìn)電機(jī)精度為步距角的3-5%，不累加；
步進(jìn)電機(jī)表面最高允許溫度取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；
步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小(U=E+L(di/dt)+I*R）
空載頻率：步進(jìn)電機(jī)在空載條件下能正常啟動(dòng)的脈沖頻率。如果脈沖頻率高于此值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能會(huì)失步或失速。步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)速度一般為10 ~ 100轉(zhuǎn)/分，伺服電機(jī)的啟動(dòng)速度一般為100 ~ 300轉(zhuǎn)/分。根據(jù)電機(jī)的大小和負(fù)載，大電機(jī)一般對(duì)應(yīng)較低的起動(dòng)轉(zhuǎn)速。
低頻振動(dòng)特性：步進(jìn)電機(jī)在連續(xù)步進(jìn)狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)反復(fù)運(yùn)行。其跨步狀態(tài)的移動(dòng)將產(chǎn)生一個(gè)單跨步響應(yīng)。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，諧振區(qū)上移，反之亦然。步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)的振動(dòng)和噪聲是其固有的缺點(diǎn)。克服兩相混合式步進(jìn)電機(jī)低速振動(dòng)和噪聲的方法如下：
A.通過(guò)改變減速比等機(jī)械傳動(dòng)，避開(kāi)共振區(qū)；
b .采用具有細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)器；
C.換成步距角更小的步進(jìn)電機(jī)；
D.選擇電感大的電機(jī)。
E.換成交流伺服電機(jī)幾乎可以完全克服振動(dòng)和噪音，但成本高；
f .采用小電流、低電壓驅(qū)動(dòng)。
G.給電機(jī)軸增加磁阻尼器；
(8)中高頻穩(wěn)定性
電機(jī)的估計(jì)固有頻率：
式中：Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；Tk是電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩；j是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)通量
恒流驅(qū)動(dòng)
2.單極驅(qū)動(dòng)
3.雙極驅(qū)動(dòng)
4.微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)
5.步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)伺服控制
6.電機(jī)繞組通斷時(shí)電流與電壓的關(guān)系
7.電壓和電流以及速度和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系
1.電機(jī)最大速度的選擇
2.電機(jī)定位精度的選擇
3.電機(jī)扭矩的選擇
三。電機(jī)選型的計(jì)算方法
通常，選擇電機(jī)時(shí)應(yīng)遵循以下步驟：
電機(jī)最大速度的選擇
步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速一般為600轉(zhuǎn)/分。交流電機(jī)額定轉(zhuǎn)速一般為3000轉(zhuǎn)/分，最高轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/分。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)按此參數(shù)設(shè)計(jì)。
2.電機(jī)定位精度的選擇
機(jī)械傳動(dòng)比確定后，可以根據(jù)控制系統(tǒng)的定位精度選擇步進(jìn)電機(jī)的步距角和驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分級(jí)別。通常，電機(jī)選擇的步距角對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)定位精度的1/2或更小。注意：當(dāng)細(xì)分級(jí)別大于1/4時(shí)，無(wú)法保證步距角的精度。伺服編碼器分辨率選擇：分辨率比定位精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。
3.電機(jī)扭矩的選擇
很難一下子確定步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，所以我們往往先確定電機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的選擇是基于電機(jī)的工作負(fù)載，負(fù)載分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載。直接起動(dòng)時(shí)(一般從低速開(kāi)始)，兩種負(fù)載都要考慮。加速起動(dòng)時(shí)要考慮慣性負(fù)載，勻速運(yùn)行時(shí)要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜態(tài)扭矩應(yīng)在摩擦載荷的2-3倍以?xún)?nèi)。一旦選定了靜態(tài)扭矩，就可以確定電機(jī)的底座和長(zhǎng)度(幾何尺寸)。
慣性矩將物體的慣性矩計(jì)算為：
: dV是體積元素，物體的密度，R是體積元素到旋轉(zhuǎn)軸的距離。單位：千克米2
將負(fù)載質(zhì)量轉(zhuǎn)換為電機(jī)輸出軸上的慣性矩。常見(jiàn)的傳輸機(jī)制和公式如下：
(1)加速度計(jì)算
如果要精確定位控制系統(tǒng)，必須加速和減速物體的運(yùn)動(dòng)，如下圖所示。
給定加速時(shí)間和最大速度Vmax，可以獲得電機(jī)的角加速度：
(1)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
彎矩計(jì)算公式為：
其中：TL是系統(tǒng)外力轉(zhuǎn)化為電機(jī)的扭矩，是傳動(dòng)系統(tǒng)的效率。
四、計(jì)算實(shí)例(直線(xiàn)運(yùn)動(dòng))
1.運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算
2.動(dòng)態(tài)計(jì)算
3.選擇同步帶直徑和步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)m。
4.計(jì)算電機(jī)扭矩并選擇電機(jī)型號(hào)。
四、計(jì)算實(shí)例(直線(xiàn)運(yùn)動(dòng))
1.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線(xiàn)方法
(2)光電隔離元件的作用：電氣隔離和抗干擾。
(3)共陽(yáng)極連接、共陰極連接和差動(dòng)連接。
陽(yáng)極接合法
陰極連接方法
差模的典型連接方法
1.4、6和8線(xiàn)電機(jī)接線(xiàn)方法
a)四線(xiàn)電機(jī)和六線(xiàn)電機(jī)高速模式：輸出電流設(shè)定為等于或略小于電機(jī)的額定電流值；
b)六線(xiàn)電機(jī)高轉(zhuǎn)矩模式：輸出電流設(shè)定為電機(jī)額定電流的0.7倍；
c)八線(xiàn)電機(jī)并聯(lián)方式：輸出電流應(yīng)設(shè)定為電機(jī)單極連接電流的1.4倍；
d)八線(xiàn)電機(jī)串聯(lián)：輸出電流應(yīng)設(shè)定為電機(jī)單極連接電流的0.7倍。
1)振動(dòng)和噪音(運(yùn)行穩(wěn)定性)；
2)中高速扭矩；
3)溫度上升(發(fā)熱)；
4)保護(hù)功能；
5)可靠性
:
1.什么是步進(jìn)電機(jī)？什么情況下應(yīng)該使用步進(jìn)電機(jī)？
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)在設(shè)定的方向上旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度(和步進(jìn)角度)。
你可以通過(guò)控制脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移，從而達(dá)到精確定位的目的；同時(shí)，你可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。所以需要精確定位或速度控制時(shí)，可以考慮步進(jìn)電機(jī)。
2.什么種類(lèi)
反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可以實(shí)現(xiàn)大扭矩輸出。步進(jìn)角度一般在1.5度，但是噪音和震動(dòng)都很大。80年代在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已被淘汰?；旌鲜讲竭M(jìn)是指結(jié)合永磁體和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。分為兩相、四相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度，五相步進(jìn)角一般為0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用廣泛。
3.什么是保持扭矩？
保持轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)通電但不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。通常情況下，步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩接近于保持轉(zhuǎn)矩。保持轉(zhuǎn)矩越大，電機(jī)的負(fù)載能力越強(qiáng)。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨著速度的增加而減小，輸出功率也隨著速度的增加而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩成為衡量步進(jìn)電機(jī)的重要參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說(shuō)步進(jìn)電機(jī)為2N.m時(shí)，除非特別說(shuō)明，否則都是指轉(zhuǎn)矩為2N。米（meter的縮寫(xiě)））
4.步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有哪些？
一般來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)有兩種：恒壓驅(qū)動(dòng)和恒流驅(qū)動(dòng)。恒壓驅(qū)動(dòng)幾乎已經(jīng)被淘汰，目前廣泛使用的是恒流驅(qū)動(dòng)。
5.步進(jìn)電機(jī)的精度是多少？積累？
一般步進(jìn)電機(jī)的精度是步距角的3-5%。步進(jìn)電機(jī)一步的偏差不會(huì)影響下一步的精度，所以步進(jìn)電機(jī)的精度不會(huì)累加。
6.步進(jìn)電機(jī)允許的表面溫度是多少？
步進(jìn)電機(jī)的高溫首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩降低甚至損失。因此，電機(jī)表面的最高允許溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)說(shuō)，磁性材料的退磁點(diǎn)都在130攝氏度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外部溫度在80-90攝氏度是完全正常的。
7.為什么步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而減?。?/p>
步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感會(huì)形成反電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反電動(dòng)勢(shì)越大。在其作用下，電機(jī)的相電流隨著頻率(或轉(zhuǎn)速)的增大而減小，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的減小。
8.為什么步進(jìn)電機(jī)低速可以正常運(yùn)行，但高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有嘯叫？
步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率。如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能會(huì)失步或失速。在負(fù)載條件下，起動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果電機(jī)要高速旋轉(zhuǎn)，脈沖頻率要有一個(gè)加速過(guò)程，即起始頻率低，然后以一定的加速度上升到所需的高頻(電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕仙礁咚?。我們建議空載啟動(dòng)頻率應(yīng)選擇為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需脈沖數(shù)的兩倍。
9.如何克服兩相混合式步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪音？
步進(jìn)電機(jī)低速旋轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)和噪聲是其固有的缺點(diǎn)。一般可以采用以下解決方法來(lái)克服：a .如果步進(jìn)電機(jī)剛好工作在諧振區(qū)，可以通過(guò)改變減速比來(lái)提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。
b、使用帶細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)，這是最常用也是最簡(jiǎn)單的方法。因?yàn)榧?xì)分驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相電流轉(zhuǎn)換比半步驅(qū)動(dòng)電機(jī)平緩。
C.換成步距角更小的步進(jìn)電機(jī)，比如三相或五相步進(jìn)電機(jī)，或者兩相細(xì)分步進(jìn)電機(jī)。
D.改用DC或交流伺服電機(jī)幾乎可以完全克服振動(dòng)和噪音，但成本較高。
e、給電機(jī)軸加磁阻尼器。市場(chǎng)上已經(jīng)有這種產(chǎn)品，但是機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化。
10.細(xì)分驅(qū)動(dòng)的細(xì)分?jǐn)?shù)能代表精度嗎？
步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)本質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)(請(qǐng)參考相關(guān)文獻(xiàn))，其主要目的是減少或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，提高電機(jī)的運(yùn)行精度只是細(xì)分技術(shù)的附帶功能。例如，對(duì)于步進(jìn)角為1.8度的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，如果細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為4，則電機(jī)的運(yùn)行分辨率為每脈沖0.45度，電機(jī)的精度能否達(dá)到或接近0.45度取決于細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分電流控制精度等其他因素。不同廠(chǎng)商的細(xì)分驅(qū)動(dòng)精度可能相差很大；細(xì)分?jǐn)?shù)越大，精度越難控制。
11.四相驅(qū)動(dòng)組合式步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的串聯(lián)方式和并聯(lián)方式有什么區(qū)別？
四相混合式步進(jìn)電機(jī)一般由兩相驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，所以四相電機(jī)可以串聯(lián)或并聯(lián)成兩相。串聯(lián)方式一般用于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合。此時(shí)驅(qū)動(dòng)器所需輸出電流是電機(jī)相電流的0.7倍，所以電機(jī)發(fā)熱很??；并聯(lián)方式一般用于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合(也叫高速連接方式)，驅(qū)動(dòng)器所需輸出電流為電機(jī)相電流的1.4倍，因此電機(jī)發(fā)熱較大。
12.如何確定步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的DC電源？
一、電源電壓的確定
:
1.不同控制精度
2.不同的低頻特性
3.不同的矩頻特性。
4.過(guò)載能力不同。
5.不同的運(yùn)行性能
6.不同速度響應(yīng)性能
7.不同的效率指標(biāo)
:
1.不同控制精度
兩相步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8；德國(guó)Bergera公司生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，可通過(guò)細(xì)分控制實(shí)現(xiàn)1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036步距角，兼容兩相、五相步進(jìn)電機(jī)的步距角。交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)后端的編碼器來(lái)保證。對(duì)于一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)2500線(xiàn)編碼器的電動(dòng)機(jī)，如果驅(qū)動(dòng)器采用4倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360/10000=0.036；對(duì)于17位編碼器的電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器每次接收217=131072個(gè)脈沖，脈沖當(dāng)量為360/131072=0.00274658，是步距角為1.8的步進(jìn)電機(jī)脈沖當(dāng)量的1/655。
1.不同的低頻特性
兩相混合式步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)容易產(chǎn)生低頻振動(dòng)。交流伺服電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，即使低速也不會(huì)有低頻振動(dòng)。
2.不同的矩頻特性。
步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小，在更高的轉(zhuǎn)速下會(huì)急劇減小。交流伺服電機(jī)有恒轉(zhuǎn)矩輸出，即能在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(如3000轉(zhuǎn)/分)輸出額定轉(zhuǎn)矩。
3.過(guò)載能力不同。
步進(jìn)電機(jī)一般沒(méi)有過(guò)載能力，而交流伺服電機(jī)過(guò)載能力很強(qiáng)。一般最大扭矩可以是額定扭矩的三倍，用來(lái)克服起動(dòng)瞬間慣性負(fù)載的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)不具備這種過(guò)載能力，所以為了克服這種慣性矩，往往需要選擇轉(zhuǎn)矩較大的電機(jī)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。
1.不同的運(yùn)行性能
步進(jìn)電機(jī)的控制是開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大時(shí)容易失步或失速。停機(jī)時(shí)，如果轉(zhuǎn)速過(guò)高，很容易超調(diào)。所以要保證控制精度，就要處理好上升和下降的問(wèn)題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，由位置環(huán)和速度環(huán)組成。一般沒(méi)有失步和超調(diào)，控制性能比較可靠。
2.不同速度響應(yīng)性能
步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作速度(通常為幾百轉(zhuǎn)/分)需要200~400ms。交流傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的加速性能，從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速(如3000轉(zhuǎn)/分)通常只需幾毫秒，因此可用于快速啟動(dòng)控制場(chǎng)合。
3.不同的效率指標(biāo)
步進(jìn)電機(jī)的效率相對(duì)較低
