步進電機步進驅動器原理詳細講解

主要內容

步進電動機簡介

驅動器簡介

電機選型計算方法

計算例題

電機接線

評判步進系統好壞的依據

使用過程中常見問題及原因分析

步進驅動系統的常見問題 （FAQ)

步進電動機與交流伺服電動機的性能比較

驅動器產品測試對比

一、步進電動機簡介

1.步進電動機的歷史

2.步進電動機的定義

步進電動機的工作原理

步進電動機的機座號

步進電動機構造

步進電動機主要參數

步進電動機的特點

一、步進電動機簡介

步進電動機的歷史：德國百格拉公司于1973年發明了五相混合式步進電機及其驅動器；1993年又推出了性能更加優越的三相混合式步進電機。我國在80年代以前，一直是反應式步進電機占統治地位，混合式步進電機是80年代后期才開始發展。

步進電動機的定義：是一種專門用于速度和位置精確控制的特種電機，它旋轉是以固定的角度（稱為步距角）一步一步運行的，故稱步進電機。

3. 步進電動機的工作原理

以單極性電機為例來解釋

工作原理

4.步進電動機的機座號：主要有35、39、42、57、86、110等

5. 步進電動機構造：由轉子（轉子鐵芯、永磁體、轉軸、滾珠軸承），定子（繞組、定子鐵芯），前后端蓋等組成。最典型兩相混合式步進電機的定子有8個大齒，40個小齒，轉子有50個小齒；三相電機的定子有9個大齒，45個小齒，轉子有50個小齒。

6.步進電動機主要參數

步進電機的相數：是指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。

拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態，用m表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數。

保持轉矩：是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。

步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移。

定位轉矩：電機在不通電狀態下，電機轉子自身的鎖定力矩。

失步：電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。

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。

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 。

7.步進電機的特點

一般步進電機的精度為步距角的3-5%，且不累積；

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)+I*R）

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。 步進電機的起步速度一般在10~100RPM，伺服電機的起步速度一般在100~300RPM。根據電機大小和負載情況而定，大電機一般對應較低的起步速度。

低頻振動特性：步進電動機以連續的步距狀態邊移動邊重復運轉。其步距狀態的移動會產生1 步距響應。

電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區向上偏移，反之亦然。步進電機低速轉動時振動和噪聲大是其固有的缺點，克服兩相混合式步進電機在低速運轉時的振動和噪聲方法：

a.通過改變減速比等機械傳動避開共振區；

b.采用帶有細分功能的驅動器；

c.換成步距角更小的步進電機；

d.選用電感較大的電機

e.換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本高；

f.采用小電流、低電壓來驅動。

g.在電機軸上加磁性阻尼器；

(8)中高頻穩定性

電機的固有頻率估算值：

式中：Zr為轉子齒數；Tk為電機負載轉矩；J為轉子轉動貫量

二、步進驅動器簡介

恒流驅動

2.單極性驅動

3.雙極性驅動

4.微步驅動

5.步進電動機的閉環伺服控制

6.導通和截止時的電機繞組電流和電壓的關系

7.電壓和電流與轉速、轉矩的關系

三、電機選型計算方法

1.電機最大速度選擇

2.電機定位精度的選擇

3.電機力矩選擇

三、電機選型計算方法

選擇電機一般應遵循以下步驟：

電機最大速度選擇

步進電機最大速度一般在600 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。一般選電機的一個步距角對應于系統定位精度的1/2 或更小。注意：當細分等級大于1/4后，步距角的精度不能保證。伺服電機編碼器的分辨率選擇：分辨率要比定位精度高一個數量級。

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，靜力矩應為摩擦負載的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）

轉動慣量計算物體的轉動慣量為：

式中：dV為體積元，為物體密度，r為體積元與轉軸的距離。單位：kgm2

將負載質量換算到電機輸出軸上轉動慣量，常見傳動機構與公式如下：

(1)加速度計算

控制系統要定位準確，物體運動必須有加減速過程，如下圖所示。

已知加速時間 、最大速度Vmax，可得電機的角加速度：

(1)電機力矩計算

力矩計算公式為：

式中：TL為系統外力折算到電機上的力矩，為傳動系統的效率。

四、計算例題（直線運動）

1.運動學計算

2.動力學計算

3.選擇同步帶直徑Φ和步進電機細分數m

4.計算電機力矩，選擇電機型號

四、計算例題（直線運動）

七、電機接線方法

1.步進電機驅動器接線方法

(2)光電隔離原件作用：電氣隔離、抗干擾

(3)共陽極接法、共陰極接法和差分方式接法

共陽極接法

共陰極接法

差分方式典型接線方法