步进电机步进驱动器原理详细讲解与计算详细教程

步进电机步进驱动器原理详细讲解

主要内容

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

一、步进电动机简介

1.步进电动机的历史

2.步进电动机的定义

•步进电动机的工作原理

•步进电动机的机座号

•步进电动机构造

•步进电动机主要参数

•步进电动机的特点

一、步进电动机简介

•步进电动机的历史：德国百格拉公司于1973年发明了五相混合式步进电机及其驱动器；1993年又推出了性能更加优越的三相混合式步进电机。我国在80年代以前，一直是反应式步进电机占统治地位，混合式步进电机是80年代后期才开始发展。

•步进电动机的定义：是一种专门用于速度和位置精确控制的特种电机，它旋转是以固定的角度（称为步距角）一步一步运行的，故称步进电机。

3. 步进电动机的工作原理

以单极性电机为例来解释

工作原理

4. 步进电动机的机座号：主要有35、39、42、57、86、110等

5. 步进电动机构造：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. 步进电动机主要参数

•步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有两相、三相、五相步进电机。

•拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，用m表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。

•保持转矩：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。

•步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移。

•定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩。

•失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。

•失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

•运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线 。

7. 步进电机的特点

•一般步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积；

•步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点；

•步进电机的力矩会随转速的升高而下降（U=E+L(di/dt)+I*R）

•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。 步进电机的起步速度一般在10~100RPM，伺服电机的起步速度一般在100~300RPM。根据电机大小和负载情况而定，大电机一般对应较低的起步速度。

•低频振动特性：步进电动机以连续的步距状态边移动边重复运转。其步距状态的移动会产生1 步距响应。

电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然。步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声方法：

a.通过改变减速比等机械传动避开共振区；

b.采用带有细分功能的驱动器；

c.换成步距角更小的步进电机；

d.选用电感较大的电机

e.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本高；

f.采用小电流、低电压来驱动。

g.在电机轴上加磁性阻尼器；

(8)中高频稳定性

电机的固有频率估算值：

式中：Zr为转子齿数；Tk为电机负载转矩；J为转子转动贯量

二、步进驱动器简介

•恒流驱动

2.单极性驱动

3.双极性驱动

4.微步驱动

5.步进电动机的闭环伺服控制

6.导通和截止时的电机绕组电流和电压的关系

7.电压和电流与转速、转矩的关系

三、电机选型计算方法

1.电机最大速度选择

2.电机定位精度的选择

3.电机力矩选择

三、电机选型计算方法

选择电机一般应遵循以下步骤：

•电机最大速度选择

步进电机最大速度一般在600 rpm。交流伺服电机额定速度一般在3000 rpm，最大转速为5000rpm。机械传动系统要根据此参数设计。

2. 电机定位精度的选择

机械传动比确定后，可根据控制系统的定位精度选择步进电机的步距角及驱动器的细分等级。一般选电机的一个步距角对应于系统定位精度的1/2 或更小。注意：当细分等级大于1/4后，步距角的精度不能保证。伺服电机编码器的分辨率选择：分辨率要比定位精度高一个数量级。

3. 电机力矩选择

步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）

•转动惯量计算物体的转动惯量为：

式中：dV为体积元，为物体密度，r为体积元与转轴的距离。单位：kgm2

将负载质量换算到电机输出轴上转动惯量，常见传动机构与公式如下：

(1)加速度计算

控制系统要定位准确，物体运动必须有加减速过程，如下图所示。

已知加速时间 、最大速度Vmax，可得电机的角加速度：

(1)电机力矩计算

力矩计算公式为：

式中：TL为系统外力折算到电机上的力矩，为传动系统的效率。

四、计算例题（直线运动）

1.运动学计算

2.动力学计算

3.选择同步带直径Φ和步进电机细分数m

4.计算电机力矩，选择电机型号

四、计算例题（直线运动）

七、电机接线方法

1.步进电机驱动器接线方法

(2)光电隔离原件作用：电气隔离、抗干扰

(3)共阳极接法、共阴极接法和差分方式接法

共阳极接法

共阴极接法

差分方式典型接线方法

1.4、6和8线电机接线方法

a) 四线电机和六线电机高速度模式：输出电流设成等于或略小于电机额定电流值；

b) 六线电机高力矩模式：输出电流设成电机额定电流的0.7倍；

c) 八线电机并联接法：输出电流应设成电机单极性接法电流的1.4倍；

d) 八线电机串联接法：输出电流应设成电机单极性接法电流的0.7倍 。

八、评判步进系统好坏的依据

1）振动、噪音（运行平稳性）；

2）中、高速力矩；

3）温升（发热情况）；

4）保护功能；

5）可靠性

九、使用过程中常见问题及原因分析

十、步进驱动系统的常见问题

1、什么是步进电机？在何种情况下该使用步进电机？

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。

您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达调速的目的。因此在需要准确定位或调速控制时均可考虑使用步进电机。

2、步进电机分哪几种？有什么区别？

步进电机分三种：永磁式（ＰＭ），反应式（ＶＲ）和混合式（ＨＢ）

永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；

反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家８０年代已被淘汰。 混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相四相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

3、什么是保持转矩(HOLDING TORQUE）？

保持转矩（ＨＯＬＤＩＮＧ　ＴＯＲＱＵＥ)是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。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。保持转矩越大则电机带负载能力越强。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、步进电机的驱动方式有几种？

一般来说，步进电机有恒压，恒流驱动两种，恒压驱动已近淘汰，目前普遍使用恒流驱动。

5、步进电机精度为多少？是否累积？

一般步进电机的精度为步进角的3-5%。步进电机单步的偏差并不会影响到下一步的精度因此步进电机精度不累积。

6、步进电机的外表温度允许达到多少？

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降甚至于丢失。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；一般来说，磁性材料的退磁点都在摄氏１３０度以上，因此步进电机外表温度在摄氏８０－９０度完全正常。

7、为什么步进电机的力矩会随转速升高而下降？

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。

8、为什么步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，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）。我们建议空载启动频率选定为电机运转一圈所需脉冲数的２倍。

9、如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声？

步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：

A、如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比提高步进电机运行速度。

Ｂ、采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的，最简便的方法。因为细分型驱动器电机的相电流变流较半步型平缓。

Ｃ、换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机，或两相细分型步进电机。

Ｄ、换成直流或交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高。

Ｅ、在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。

10、细分驱动器的细分数是否能代表精度？

步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），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。比如对于步进角为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，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45度，电机的精度能否达到或接近0.45度，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。

11、四相驱动合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别？

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。

12、如何确定步进电机驱动器直流供电电源？

Ａ、供电电源供电电压的确定

十一、步进电动机与交流伺服电动机的性能比较

1.控制精度不同

2.低频特性不同

3.矩频特性不同

4.过载能力不同

5.运行性能不同

6.速度响应性能不同

7.效率指标不同

十一、步进电动机与交流伺服电动机的性能比较

1.控制精度不同

两相步进电机步距角为1.8°；德国百格拉公司生产的三相混合式步进电机及驱动器，可以细分控制来实现步距角为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相步进电机的步距角。交流伺服电动机的控制精度由电动机后端的编码器保证。如对带标准2500线编码器的电动而言，驱动器内部采用4倍频率技术，则其脉冲当量为360°/10000=0.036° ；对于带17位编码器的电动机而言，驱动器每接收217 =131072个脉冲电动机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=0.00274658°，是步距角为1.8°的步进电机脉冲当量的1/655。

1.低频特性不同

两相混合式步进电动机在低速运转时易出现低频振动现象。交流伺服电动机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现低频振动现象。

2.矩频特性不同

步进电动机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高速是会急剧下降。交流伺服电动机为恒力矩输出，即在额定转速（如3000RPM）以内，都能输出额定转矩。

3.过载能力不同

步进电动机一般不具有过载能力，而交流伺服电动机有较强的过载能力，一般最大转矩可为额定转矩的3倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电动机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电动机，便出现了力矩浪费的现象。

1.运行性能不同

步进电动机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象；停止时如转速过高，易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，内部构成位置环和速度环，一般不会出现丢步或过冲现象，控制性能更为可靠。

2.速度响应性能不同

步进电动机从静止加速到工作速度（一般为几百RPM）需要200~400ms。交流伺服驱动系统的加速性能较好，从静止加速到工作速度（如3000RPM），一般仅需几毫秒，可用于快速启动的控制场合。

3.效率指标不同

步进电动机的效率比较低，一般60%以下。交流伺服电机的效率比较高，一般80%以上。因此步进电动机的温升也比交流伺服电机的高。

19. 关于驱动器上电时的问题：

上电时因欠压保护锁定功能导致的非预期亮红灯报警原因及处理措施。

为什么步进电动机要加驱动器？一文带你轻松了解驱动器的原理。

相信很多朋友在工作中都听说过步进电动机，但是如果不是工科出身的小伙伴可能就会有一个疑问，为什么步进电动机要加一个驱动器，不可以像我们平常的电动机那样直接接电源吗？所以，在这里就为大家说说那什么是步进电机驱动器。

步进驱动器的结构：

步进驱动器可分为两部分一部分是环形分配器，另一部分是功率放大。

环形分配器; 要是接收3种信号分别为：脉冲信号，方向信号，脱机信号。然后再对脉冲信号进行分配，去控制功率放大器相应的晶体管导通，然后使步进电机的线圈得电。从这里我们可以看出，步进电机要运转那么必须要输入脉冲，如果没有脉冲，步进电机是不动的，所以我们需要一个驱动器来给步进电机的各项绕组依次通电。

方向信号: 要控制AB通电的相序，A-B顺时针，B-A逆时针

脱机信号: 步进电机停止时，AB线圈有一相得电，得电的功能使转子锁住，使转子不能动，需要收去拨动转子的时候，需要给脱机信号，使AB相绕组完全断电，转子处于自由转动状态。

步进电机，步进驱动器和PLC之间的连接：

步进驱动器首先要外接直流电源24~28V，一端要连步进电机，另一端作输入信号也就是控制信号，步进电机接受外部信号的结构是采用光电隔离的，比如：PLC的脉冲信号送到驱动器内部，我们要使PLC产生脉冲只需要让Y0不断的接通与截止就可以产生。

当Y0导通的时候电流从CP+流进去，通过限流电阻，二极管，再经过CP-，再通过COM端回到电源的负端，这样就构成了一个回路。这样的话发光二极管就导通，晶体管也会被导通就会产生一个高电平1，如果截止就会产生一个低电平0。 这样当Y0不断接通与截止，并且通过这个电路就可以把脉冲从外部设备送到驱动器中。然后环形分配器收到这个脉冲，再对脉冲信号进行分配 。控制步进电机的绕组依次得电。所以步进电机在旋转的时候必须要有脉冲，如果没有脉冲，那么步进电机就会处于停止状态。方向信号与脱钩信号也是同样的道理。

步进驱动器有关细分的装置步进驱动器有关细分的设置

什么叫细分?

为了提高步进电动机控制的精度，现在的步进驱动器都有细分的功能，所谓细分，就是通过驱动器中电路的方法把步距角减小。

比如把步进驱动器设置成5细分，假设原来步距角1.8°那么设成5细分后，步距角就是0.36°。也就是说原来一步可以走完的， 设置成细分后需要走5步。

设置细分时要注意的事项:

1、一般的情况下，细分数不能设置的过大，

因为在控制脉冲频率不变的情况下，细分越大，电机的转速越慢，而且电机的输出力矩减小。

2、驱动步进电机的脉冲频率不能太高，一般不超过2KHz,否则电机输出的力矩迅速减小。

步进电机驱动器的细分表：

一般步进电动机的细分表在驱动器上可以直接看到。

DIP开关的功能：

静态电流半流： 当电动机处于停止状态，其中有一相绕组仍然是通电的。当我们把DIP5设置成ON的时候，这一相绕组在电动机停电的时候它通过的电流为额定绕组的一半，我们把这种情况叫做静态电流半流

静态电流全流： 在电动机停电的时候它通过的电流为额定绕组的100%，我们把这种情况叫做静态电流全流

静态电流的好处是能够锁住转子，不让转子运动，这个功能可以让我们定主电动机的位置。

细分设置：

这个表是这样看的，当DIP1为OFF,DIP4为ON,DIP3为ON,DIP2为ON，那么就为2细分，依次类推，我们需要多大的细分按照这个方法设计就好。

驱动器的输出电流设置：

驱动器可以带功率大小不同的电机，对于不同的电机我们需要设置不同的电流，那么设计电流的输出大小我们同样可以按照这个表来。当DIP6为ON,DIP7为ON,DIP8为ON，那么输出电流的大小就为1.2A，在这里要注意的是，各个驱动器输出的电流可能会不一样，大家在设计的时候具体参考说明书就好！

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