步進電機技術資料個人整理

1、步進電機技術文檔 劉周林整理2011.09.11 步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個步距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應的轉速取決于輸入脈沖頻率。 步進電機是機電一體化產品中關鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應用于機電一體化產品中，如：數(shù)控機床、包裝機械、計算機外圍設備、復印機、傳真機等。 選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的

2、余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內。一般地說最大靜力矩Mmax大的電機，負載力矩大。 選擇步進電機時，應使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導程，二是可以通過步進電機的細分驅動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。 選擇功率步進電機時，應當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機床快速移動的需要。 選擇步進電機需要進行以下計算： （1）計算齒輪的

3、減速比 根據所要求脈沖當量，齒輪減速比i計算如下: i=(.S)/(360.) (1-1) 式中 -步進電機的步距角（º/脈沖） S -絲桿螺距（mm) -(mm/脈沖） （2）計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量Jt。 Jt=J1+（1/i²)(J2+Js）+W/g（S/2)² （1-2） 式中Jt -折算至電機軸上的慣量(Kg.cm.s²) J1、J2 -齒輪慣量(Kg.cm.s²) Js -絲桿慣量(Kg.cm.s²) W-工作臺重量（N） S -絲桿螺距（cm） 步進電機小知識1.什么是步進電機?步進電機是一種將電脈沖

4、轉化為角位移的執(zhí)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（及步進角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)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，從而達到調速的目的。2.步進電機分哪幾種?步進電機分三種：永磁式（PM），反應式（VR）和混合式（HB）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(xiàn)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(fā)達國家80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(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相

5、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。3.什么是保持轉矩（HOLDING TORQUE）?保持轉矩（HOLDING TORQUE）是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。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最重要的參數(shù)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。4.什么是DETENT TORQUE?DETENT TORQUE是指步進電機沒有通電的情況下，

6、定子鎖住轉子的力矩。DETENT TORQUE在國內沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產生誤解；由于反應式步進電機的轉子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。5.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%，且不累積。6.步進電機的外表溫度允許達到多少?步進電機溫度過高，首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，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；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。7.為什么步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降?當步進電

7、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。8.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(shù)：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(fā)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）。9.如何克服兩相混合式步進電機在低速運轉時的振動和噪聲?步進電機低速

8、轉動時振動和噪聲大是其固有的缺點，一般可采用以下方案來克服：A.如步進電機正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區(qū)；B.采用帶有細分功能的驅動器，這是最常用的、最簡便的方法；C.換成步距角更小的步進電機，如三相或五相步進電機；D.換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高；E.在電機軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產品，但機械結構改變較大。10.細分驅動器的細分數(shù)是否能代表精度?步進電機的細分技術實質上是一種電子阻尼技術（請參考有關文獻），其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉精度只是細分技術的一個附帶功能。比如對于步進角為1.8°的兩相

9、混合式步進電機，如果細分驅動器的細分數(shù)設置為4，那么電機的運轉分辨率為每個脈沖0.45°，電機的精度能否達到或接近0.45°，還取決于細分驅動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅動器精度可能差別很大；細分數(shù)越大精度越難控制。11.四相混合式步進電機與驅動器的串聯(lián)接法和并聯(lián)接法有什么區(qū)別?四相混合式步進電機一般由兩相驅動器來驅動，因此，連接時可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián)接法將四相電機接成兩相使用。串聯(lián)接法一般在電機轉速較的場合使用，此時需要的驅動器輸出電流為電機相電流的0.7倍，因而電機發(fā)熱小；并聯(lián)接法一般在電機轉速較高的場合使用（又稱高速接法），所需要的驅動器輸出電流

10、為電機相電流的1.4倍，因而電機發(fā)熱較大。12.如何確定步進電機驅動器的直流供電電源?A.電壓的確定混合式步進電機驅動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍（比如IM483的供電電壓為1248VDC），電源電壓通常根據電機的工作轉速和響應要求來選擇。如果電機工作轉速較高或響應要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅動器。B.電流的確定供電電源電流一般根據驅動器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源，電源電流一般可取I的1.11.3倍；如果采用開關電源，電源電流一般可取I的1.52.0倍。13.混合式步進電機驅動器的脫機信號FREE一般在什么情況

11、下使用?當脫機信號FREE為低電平時，驅動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉子處于自由狀態(tài)（脫機狀態(tài)）。在有些自動化設備中，如果在驅動器不斷電的情況下要求直接轉動電機軸（手動方式），就可以將FREE信號置低，使電機脫機，進行手動操作或調節(jié)。手動完成后，再將FREE信號置高，以繼續(xù)自動控制。14.如果用簡單的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A+和A-（或者B+和B-）對調即可。15.關于驅動器的細分原理及一些相關說明 在國外，對于步進系統(tǒng)，主要采用二相混合式步進電機及相應的細分驅動器。 但在國內，廣大用戶對“細分”還不是特別了解，有的只是認為，細分是為了提高精度，其實

12、不然，細分主要是改善電機的運行性能，現(xiàn)說明如下：步進電機的細分控制是由驅動器精確控制步進電機的相電流來實現(xiàn)的，以二相電機為例，假如電機的額定相電流為3A，如果使用常規(guī)驅動器（如常用的恒流斬波方式）驅動該電機，電機每運行一步，其繞組內的電流將從0突變?yōu)?A或從3A突變到0，相電流的巨大變化，必然會引起電機運行的振動和噪音。如果使用細分驅動器，在10細分的狀態(tài)下驅動該電機，電機每運行一微步，其繞組內的電流變化只有0.3A而不是3A，且電流是以正弦曲線規(guī)律變化，這樣就大大的改善了電機的振動和噪音，因此，在性能上的優(yōu)點才是細分的真正優(yōu)點。由于細分驅動器要精確控制電機的相電流，所以對驅動器要有相當高的技

13、術要求和工藝要求，成本也會較高。注意，國內有一些驅動器采用“平滑”來取代細分，有的也稱為細分，但這不是真正的細分，望廣大用戶一定要分清兩者的本質不同： (1). “平滑”并不精確控制電機的相電流，只是把電流的變化率變緩一些，所以“平滑”并不產生微步，而細分的微步是可以用來精確定位的。 (2). 電機的相電流被平滑后，會引起電機力矩的下降，而細分控制不但不會引起電機力矩的下降，相反，力矩會有所增加。16.電機是二相四相六根和八根線的，而驅動器只要求接四根線，該怎樣使用？四相混合式電機也稱二相混合式電機，只是四相電機的繞組引出線有多種接法。四出線電機 1和2為一相，分別接A和/A；3和4為一相，分

14、別接B和/B。六出線電機1和2為一相，分別接A和/A；5和6為一相，分別接B和/B。 3和4不用，分別懸空（請勿相連）。 八出線電機1和3相連，2和4相連，分別接A和/A；5和7相連，6和8相連，分別接B和/B。 17.電機的噪音特別大；而且沒有力，電機本身在振動？如遇到這種情況時，是因為步進電機工作在振蕩區(qū)，一般改變輸入信號頻率CP就可以解決此問題。18.電機在低速運行時正常，當是頻率略高一點就出現(xiàn)堵轉現(xiàn)象？遇到這種情況多是因為加在驅動器的電源電壓不夠高引起的；把輸入電壓加高一些，就可以解決此問題,注意不能高于驅動器電源端標注的最高電壓；否則會引起驅動器燒毀.19.驅動器通電以后，電機在抖動

15、,不能運轉？遇到這種情況時，首先檢查電機的繞組與驅動器連接有沒有接錯；如沒有接錯再檢查輸入頻率CP是否太高；是否升降頻設計不合理，參考升降頻設計；以上原因都不是，可能是驅動器燒毀。20.升降速設計步進電機速度控制是靠輸入的脈沖信號的變化來改變的，從理論上說，只需給驅動器脈沖信號即可，每給驅動器一個脈沖（CP），步進電機就旋轉一個步距角（細分時為一個細分步距角）但是實際上，如果脈沖CP信號變化太快，步進電機由于慣性將跟隨不上電信號的變化，這時會產生堵轉和丟步現(xiàn)象，所以步進電機在啟動時，必須有升速過程，在停止時必須有降速過程。一般來說升速和降速規(guī)律相同，以下為升速為例介紹：升速過程由突跳頻率加升速

16、曲線組成（降速過程反之）。突跳頻率是指步進電機在靜止狀態(tài)時突然施加的脈沖啟動頻率，此頻率不可太大，否則也會產生堵轉和丟步。升降速曲線一般為指數(shù)曲線或經過修調的指數(shù)曲線，當然也可采用直線或正弦曲線等。用戶需根據自己的負載選擇合適的突跳頻率和升降速曲線，找到一條理想的曲線并不容易，一般需要多次試機才行。指數(shù)曲線在實際軟件編程中比較麻煩，一般事先算好時間常數(shù)存貯在計算機存貯器內，工作過程中直接選取。升降速曲線的設計直接影響電機運行的平穩(wěn)性、升降速快慢、電機運行聲音、最高速度、定位精度。21.反應式步進電機與混合式步進電機的區(qū)別？首先，在結構和材料上不同，反應式電機不象混合式電機那樣內部具有永久磁性材

17、料，混合式電機具有一定的自鎖轉矩。其次，在運行性能上有差別，混合式電機運行時相對較平穩(wěn)，輸出力矩相對較大，運行聲音小。再次，兩種電機在價格上有差別，反應式電機比混合式電機相對便宜，但并不明顯。22.步進電機的運行方向和我要求的相反，怎樣調整？一種方法是改變控制系統(tǒng)的方向信號。 另一種方法是通過調整電機的接線來改變方向,具體如下表電機接線方式原來接線序列換向后接線序列兩相四線A，A'，B，B'A'，A，B，B'或者A，A'，B'，B三相三線 A，B，C B，A，C或者A，C，B三相六線 A，A'，B，B'，C，C' B，B&

18、#39;，A，A'，C，C'或者A，A'，C，C'，B，B'五相五線 A，B，C，D，E E，D，C，B，A步進電機驅動器的細分基本概念及其優(yōu)點一、 什么是步進電機驅動器的細分要了解步進電機驅動器的“細分”，先要弄清步進電機“步距角”這個概念：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），這個步距角可以稱之為電機固有步距角，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距

19、角和驅動器有關，參見下表（還以型86BYG250A電機為例）：電機固有步距角所用驅動器類型及工作狀態(tài)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(tài)0.9°0.9°/1.8°細分驅動器工作在5細分狀態(tài)0.36°0.9°/1.8°細分驅動器工作在10細分狀態(tài)0.18°0.9°/1.8°細分驅動器工作在20細分狀態(tài)0.09°0.9°/1.8°細分驅動器工作在40細分狀態(tài)0.045°從上表可以看出：步進電機通過細分驅動器的驅動，其步距角變小

20、了，如驅動器工作在10細分狀態(tài)時，其步距角只為電機固有步距角的十分之一，也就是說：當驅動器工作在不細分的整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電機轉動1.8°；而用細分驅動器工作在10細分狀態(tài)時，電機只轉動了0.18°，這就是細分的基本概念。細分功能完全是由驅動器靠精確控制電機的相電流所產生的，與電機無關。二、步進電機驅動器細分的優(yōu)點驅動器細分后的主要優(yōu)點為：1、完全消除了電機的低頻振蕩低頻振蕩是步進電機（尤其是反應式電機）的固有特性，而細分是消除它的唯一途徑，如果步進電機有時要在共振區(qū)工作（如走圓?。x擇細分驅動器是唯一的選擇。2、提高了電機的輸出轉矩尤其是對三相反應式

21、電機，其力矩比不細分時提高約30-40% 。3、提高了電機的分辨率由于減小了步距角、提高了步距的均勻度，“提高電機的分辨率”是不言而喻的。以上這些優(yōu)點，尤其是在性能上的優(yōu)點，并不是一個量的變化，而是質的飛躍。根據記錄，原來使用不細分驅動器的用戶通過比較后，大都改選為細分驅動器。所以建議最好選用細分驅動器。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)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（及步進角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)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

22、要準確定位或調速控制時均可考慮使用步進電機。4、步進電機動態(tài)指標及術語：(1)、步距角精度：步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在15%以內。(2)、失步：電機運轉時運轉的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。(3)、失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。(4)、最大空載起動頻率：電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。(5)、最大空載的運行頻率：電機在某種驅動形式，電壓及額定

23、電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。(6)、運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據。如下圖所示：其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。如下圖所示：其中，曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，使采用小電感大電流的電機。(7)、電機的共振點：步進電機均有