步进电机应用知识.docx
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步进电机应用知识
步进电机应用知识
1、系统常识：
步进电机和步进电机驱动器构成步进电机驱动系统。
步进电机驱动系统的性能，不但取决于步进电机自身的性能，也取决于步进电机驱动器的优劣。
对步进电机驱动器的研究几乎是与步进电机的研究同步进行的。
2、系统概述：
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。
当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号（来自控制器），它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
3、系统控制：
步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电机驱动器）。
控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时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。
4、用途：
步进电机是一种控制用的特种电机，作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，随着微电子和计算机技术的发展（步进电机驱动器性能提高），步进电机的需求量与日俱增。
步进电机在运行中精度没有积累误差的特点，使其广泛应用于各种自动化控制系统，特别是开环控制系统。
5、步进电机按结构分类：
步进电机也叫脉冲电机，包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）等。
（1）反应式步进电机：
也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电机。
其定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。
一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消耗功率较大，电流最高可达20A，驱动电压较高）；步距角小（最小可做到六分之一度）；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长；启动和运行频率较高。
（2）永磁式步进电机：
通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。
一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于2A，驱动电压12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；断电时具有一定的保持转矩；启动和运行频率较低。
（3）混合式步进电机：
也叫永磁反应式、永磁感应式步进电机，混合了永磁式和反应式的优点。
其定子和四相反应式步进电机没有区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同），转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和槽）。
一般为两相或四相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁式小（一般为1.8度）；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电机。
6、步进电机按工作方式分类：
可分为功率式和伺服式两种。
（1）功率式：
输出转矩较大，能直接带动较大负载（一般使用反应式、混合式步进电机）。
（2）伺服式：
输出转矩较小，只能带动较小负载（一般使用永磁式、混合式步进电机）。
7、步进电机的选择：
（1）首先选择类型，其次是具体的品种与型号。
（2）反应式、永磁式和混合式三种步进电机的性能指标、外形尺寸、安装方法、脉冲电源种类和控制电路等都不同，价格差异也很大，选择时应综合考虑。
（3）具有控制集成电路的步进电机应优先考虑。
8、步进电机的基本参数：
（1）电机固有步距角：
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。
电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机工作时的实际步距角，实际步距角和驱动器有关。
（2）步进电机的相数：
是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。
电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。
步进电机增加相数能提高性能，但步进电机的结构和驱动电源都会更复杂，成本也会增加。
（3）保持转矩（HOLDINGTORQUE）：
也叫最大静转矩，是在额定静态电流下施加在已通电的步进电机转轴上而不产生连续旋转的最大转矩。
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。
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增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。
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。
（4）步距精度：
可以用定位误差来表示，也可以用步距角误差来表示。
（5）矩角特性：
步进电机的转子离开平衡位置后所具有的恢复转矩，随着转角的偏移而变化。
步进电机静转矩与失调角的关系称为矩角特性。
（6）静态温升：
指电机静止不动时，按规定的运行方式中最多的相数通以额定静态电流，达到稳定的热平衡状态时的温升。
（7）动态温升：
电机在某一频率下空载运行，按规定的运行时间进行工作，运行时间结束后电机所达到的温升叫动态温升。
（8）转矩特性：
它表示电机转矩和单相通电时励磁电流的关系。
（9）启动矩频特性：
启动频率与负载转矩的关系称为启动矩频特性。
（10）运行矩频特性/惯频特性：
略
（11）升降频时间：
指电机从启动频率升到最高运行频率或从最高运行频率降到启动频率所需的时间。
（12）DETENTTORQUE：
是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。
DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易产生误解；反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENTTORQUE。
9、步进电机的一些特点：
（1）步进电机没有积累误差：
一般步进电机的精度为实际步距角的百分之三到五，且不累积。
（2）步进电机在工作时，脉冲信号按一定顺序轮流加到各相绕组上（由驱动器内的环形分配器控制绕组通断电的方式）。
（3）即使是同一台步进电机，在使用不同驱动方案时，其矩频特性也相差很大。
（4）步进电机与其它电动机不同，其标称额定电压和额定电流只是参考值；又因为步进电机是以脉冲方式供电，电源电压是其最高电压，而不是平均电压，所以，步进电机可以超出其额定值范围工作。
但选择时不应偏离额定值太远。
（5）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氏80-90度完全正常。
（6）步进电机的力矩会随转速的升高而下降：
当步进电机转动时，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。
（7）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定频率就无法启动,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）。
（8）四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。
串联接法一般在电机转速较低的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍，因而电机发热较大。
（9）混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为12～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。
如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。
（10）供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。
如果采用线性电源，电源电流一般可取I的1.1～1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I的1.5～2.0倍。
（11）当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。
在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。
手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。
（12）用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向，只需将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可。
10、步进电机驱动器的一些特点：
（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）“细分驱动”概述：
概念：
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）。
最新技术发展：
国内外对细分驱动技术的研究十分活跃，高性能的细分驱动电路，可以细分到上千甚至任意细分。
目前已经能够做到通过复杂的计算使细分后的步距角均匀一致，大大提高了步进电机的脉冲分辨率，减小或消除了震荡、噪声和转矩波动，使步进电机更具有“类伺服”特性。
对实际步距角的作用：
在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己对步距角的要求。
如果使用细分驱动器，则用户只需在驱动器上改变细分数，就可以大幅度改变实际步距角，步进电机的‘相数’对改变实际步距角的作用几乎可以忽略不计。
采用细分技术与步进电机精度提高的关系：
步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是减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。
细分后电机运转时对每一个脉冲的分辨率提高了，但运转精度能否达到或接近脉冲分辨率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控制。
真正的细分对驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求，成本亦会较高。
国内有一些驱动器采用对电机相电流进行“平滑”处理来取代细分，属于“假细分”，“平滑”并不产生微步，会引起电机力矩的下降。
真正的细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加。
生产厂家对步进电机驱动系统的通俗表述如下：
步进电机是一个把电脉冲转换成离散的机械运动的装置，与其匹配的驱动器共同组成一个可控的步进电机运动系统，具有良好的数据控制特性。
在接受来自控制器（PLC、单片机等可编程处理器）的工作指令（开关脉冲信号）时，其驱动器依据工作指令向定子绕组有序励磁，使定子内部建立一个实时响应的脉动的、非连贯性变化的磁场，并作用于周边带有很多小齿的转子，使转子产生旋转运动，即施加一个脉冲，马达转动一步。
在理想的情况下，其转子旋转的速度、累计旋转角度完全同步于控制器输入的脉冲频率及脉冲数，因而，只需在规定的时间内向步进电机运动系统提供有效的工作指令，转子将会被准确地驱动到设定的角度位置，在进一步的工作指令到来之前，始终保持在该位置。
步进电机的双向驱动、固有的刹车制动性能、可适当调整的输出扭矩、功率控制、精确的位置度、高分辨率、良好的数字交互界面，且仅采用开环控制即能达到良好的使用效果等是其显著的优势。
而且与伺服系统比较，其单位体积输出功率大、转动惯量小、无漂流及起动峰涌现象、无位置累积误差等良好优点，是一种成本低廉的数字控制类电机。
正由于具备以上固有的优点，在众多领域已奠定了其应用地位，并被广泛应用于需要控制旋转角度、速度、位置和同步性的诸多领域，如办公室自动化、安防、医疗设备，纺织品机器、舞台灯光、贩卖机与售票机，机械自动化等。
选用步进电机时应注意以下几点：
1、一般应选用力矩比实际需要大百分之五十到百分之百的步进电机，因为步进电机不能过负载运行，即便是瞬间过载都可能造成失步、停转或不规则原地来回作动。
2、上位控制器输入的脉冲电流必须够大（一般要>10mA），以确保光电耦合器稳定导通，否则会导致步进电机失步；如果输入脉冲频率过高，会因个别脉冲接收不到，导致步进电机失步。
3、启动频率不应太高，应在启动程序中设置加速过程，即从规定的启动频率开始，加速到设定频率，否则就可能不稳定，甚至处于惰态。
4、电机如果未固定好，造成强烈共振，也会导致步进电机失步。
5、应了解步进电机的固有弱点：
输入脉冲频率过高，易导致丢步；输入脉冲频率过低，易出现共振；转速偏高时扭矩降低明显。
6、应了解最新型步进电机的性能，必要时选用采用了最新控制技术的高级步进电机系统，高级系统既可以使步进电机在高速状态下减少共振，还能运用减少步进电机反电动势的技术，增加电机在高速状态下的扭矩。
电机参数、脉冲当量等的计算方法：
有些人可能自己想要DIY个雕刻机或者改某个落后系统的雕刻机系统，这样在电路连线以后就要设置机器的电极参数脉冲当量等，要么控制电极就会出现问题，下面将这些的简单算法发布出来，有这方面的行家可以多提意见，大家共同进步．
１、首先认识丝杠，导程5的丝杠就是每两个丝的间距是5；
2、步进电机是1.8度200步进，走一圈就是200×1.8=360度
3、驱动器是8细分就是把1.8在分成8次
4、所以经过驱动器的电机每一步进就是1.8度÷8=0.225度
5、所以每转一圈就是200×8=1600步进
6、导程5的丝杠每转一圈走5毫米，每一步进就是5÷1600=0.003125毫米，这就是电机参数。
如果是导程3的参数就是0.001875，以次类推。
7、用1除以电机参数就是脉冲当量，例如：
1÷0.003125=320，就是每走1毫米需要多少步进，就是脉冲当量。
步进电机转速计算
步进电机的转速可以用频率来控制，步进电机的运行频率跟转速成正比，可以通过计算公式，计算出步进电机的转速。
步进电机转速=频率 *60/200*X
其中：
步进电机的转速单位是：
分/转 频率单位是：
赫兹 X实指细分倍数
举例说明：
步进电机采用整步，即1细分；频率1K，即1000赫兹；套用公式：
1000*60/200=300转/分
注意事项：
此公式适应于两相步进电机，如果三相混合式步进电机，可能因为驱动器内部算法不一致，结果跟实际转速不一致。
步进电机选型指导及参考数据
选型指导
要使系统协调运转,选型是比较重要的一环。
在此介绍一些有关选型的事项，供大家参考。
由于电机直接与外界负载相关联，因此，可以先从电机着手。
选型步进电机大致可分为以下几个步骤：
1.计算负载转矩
假设系统力学模型如下图所示:
已知条件如下:
所用丝杆为滚珠螺杆,直径D=2Omm,长度L=1米,负载P=5OKG,Z1,Z2为传动齿轮,Z1分度
圆直径为D1=200mm,Z2分度圆直径为d2=100mm,宽度为2厘米μ为摩擦系数,在此设其为μ=0.2电机启动速度VO=300RPM,运行速度V1=900RPM,加速时间t=200ms,由此可求得负载转矩如下:
T=9.8μPD/2/1000
=9.8×0.2×50×20/2/1000
=0.98（牛米）
2.计算传动构件的转动惯量
滚珠螺杆转动惯量:
IO=1.57（R^4）ρL //ρ为密度,
=1.57×（0.01^4）×7800×1
=0.012（千克-米平方）
同理可分别求得Z1与Z2转动惯量,假定求得Z1转动惯量为
I1=0.024（干克·米平方）
Z2转动惯量为
I2=0.0015（千克-米平方）
3.计算传动比
I21=d1/d2=2
4.计算电机起动转矩
Tm=T/i21+（lO+I1）ξ/l21+l2×ξ //ξ为电机的角加速度, 此处=314
=0.98/2+（0.012+0.024）×314/2+0.0015×314
=0.49+5.652+0.471
=6.613（牛?
米）
考虑到其他因素的影晌,将其乘上一系数K,此系数请一实际情况斟酌选取。
在此令K=1.5,则
TK=K×Tm=6.613×1.5=9.9（牛·米）
5.选取电机
据V1=900RPM（若是两相电机,其脉冲频率为3000）,TK=9.9（牛·米）查找选型手册,选出合适电机
6.根据所选电机额定电流选出与其匹配的驱动器,驱动器的额定电流应比电机额定电流略大。
参考数据
为由上述计算可见,由传动构件带来的额外转矩不可忽略,在进行设计时应多加注意。
由于计算转矩较为繁琐,在实际应用中可根据系统机构大致估算所需转矩。
下面列出一些电机转速在8转/秒以内匹配成功率较高的应用（滚珠螺杆传动）,供大家参考
如何配用步进电机驱动器
根据电机的电流，配用大于或等于此电流的驱动器，如果需要低振动或高精度时，可配用细分型驱动器。
对于大转矩电机，尽可能用高电压型驱动器，以获得良好的高速性能。
步进电机主要控制信号
输入信号
所有信号都通过光电隔离为确保内置高速光耦可靠导通，要求提供控制信号的电流驱动能力至少15mA。
驱动器内部已串入光耦限流电阻，当输入信号电压高于5V时，可根据需要外串电阻R进行限流。
限流电阻R的阻值选取：
当控制器/执行器信号输出电平为+5V时：
R1=0，R2=0；
+12V时：
R1=510Ω，R2=820Ω；
+24V时：
R1=1.2KΩ，R2=1.8KΩ。
输出信号
驱动器输出信号通过光耦隔离输出，驱动电流为50mA。
力矩与功率换算
步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：
P=Ω·M
Ω=2π·n/60
P=2πnM/60
其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米
P=2πfM/400（半步工作） 其中f为每秒脉冲数（简称PPS）
步进电机步距角和转矩的选择
一、步距角及步距精度选择
步距角是相对一个脉冲信号，电机轴转动的角度设计时应根据系统的精度和速度要求选择一个合适的步距角。
两种办法可以让步距精度理想化。
①采用细分驱动器，让步距角细分
②加装齿轮或带轮变速系统，如有丝杆装置，则步距角β与脉冲当量（一个脉冲对应的直线位移）关系如下：
β＝360°δp/ti（°）
δp：
脉冲当量
t:
丝杆螺距
i:
传动比
二、转矩的选择
步进电机的转矩比较复杂，不能简单地用一个指标或一线性方程给出，也不能简单地用功率来描述。
一般厂家给出的转矩都是最大静转矩。
1．定位转矩的选择
不通电时反应式步进电机没有定位转矩，混合式步进电机有一定的定位转矩，这一点用户应明确。
2.矩频特性的应用。
步进电机在一定的频率下起动，克服负载及摩擦阻力，随着频率（速度）的升高，其自身的转矩下降带载能力下降可能会出现丢步或停转。
在Ⅰ范围内可直接起动
在Ⅱ范围内为加速范围
在Ⅲ范围内为失步区域
用户在计算负载转矩时需考虑以下几点：
①负载摩擦转矩
可以通过拉力试验或估算得出。
②负载转动惯量
这一点很重要，直接关系到系统起动及加速性能，用户在选用时要把惯量考虑进去，如果惯量太大应通过去重、挖空及配减速等办法降低
反应式步进电机与混合式步进电机的区别
在结构与材料上不同，混合式电机内部有永磁型材料，所以混合式步进电机运行时相对平滑，输出浮载力大，噪音小。
步进电机常见问题及解决办法
1.如何控制步进电机的方向？
（1）可以改变控制系统的方向电平信号。
（2）可以调整电机的接线来改变方向，具体做法如下：
对于两相电机，只需将其中一相的电机线交换接入驱动器即可，如A+和A-交换。
对于三相电机，将相邻两相的电机线交换，如：
A,B,C三相，交换A,B两相就可
2.步进电机振动大，噪声也很大，什么原因？
遇到这种情况是因为步进电机工作在振荡区，解决办法：
（1）改变输入信号频率CP来避开振荡区。
（2）采用细分驱动器，使步距角减少，运行平滑些。
3.为什么步进电机通电后，电机不运行？
有以下几种原因会造成电机不转：
（1）过载堵转（此时电机有啸叫声）。
（2）电机是否处于脱机状态。
（3）控制系统是否有脉冲信号给步进电机驱动器，接线是否有问题。
4.步进电机抖动，不能连续运行，怎么办？
遇到这种情况，首先检查电机的绕组与驱动器连接有没有接错。
检查输入脉冲信号频率是否太高，是否升降频设计不合理。
5.混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE一般在什么情况下使用?
当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。
在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。
手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。
6.如何选择步进电机驱动器供电电源？
确定驱动器的供电电压，然后确定工作电流；供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。
如果采用线性电源，电源电流一般可取I的1.1～1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I的1.5～2.0倍。
7.如何选择步进电机驱动器供电电压？
我公司的生产的步进电机驱动器，都是宽压输入，输入电压很大的范围可以选择；电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。
如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。
如果选择较低的电压有利于步机电机的平稳运行，振动小。
8.细分驱动器的细分数是否能代表精度?
细分也叫微步，主要目的是减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。
比如对步进角为1.8°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，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45°，电机的精度能否达到或接近0.45°，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
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