日期：2022-12-06 11:53 瀏覽次數：0
步進電機步進驅動器原理詳細講解
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
:
1.步進電機的歷史
2.步進電機的定義
步進電機的工作原理
步進電機的基數
步進電機結構
步進電機的主要參數
步進電機的特點
一、步進電動機簡介
步進電機歷史：1973年，德國Bergera公司發明了五相混合式步進電機及其驅動器；1993年推出了性能更好的三相混合式步進電機。80年代以前，我國以反應式步進電機為主，混合式步進電機是80年代后期才發展起來的。
步進電機的定義：是一種專門用于精確控制速度和位置的特種電機。它的旋轉以一個固定的角度(稱為步距角)一步一步地運行，所以叫步進電機。
3.步進電機的工作原理
以單極電機為例來說明。
操作原理
4.步進電機的基數：35，39，42，57，86，110等。
5. 步進電機結構：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。最典型的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.步進電機主要參數
步進電機的相數：指電機中線圈組的數量。目前常用的有兩相、三相、五相步進電機。
拍數：完成磁場周期性變化所需的脈沖數或導通狀態，用M表示，或電機轉動一個槳距角所需的脈沖數。
保持轉矩：指步進電機通電但不轉動時，定子鎖住轉子的轉矩。
步距角：電機轉子對應一個脈沖信號的角位移。
定位扭矩：電機不通電時電機轉子的鎖定扭矩。
失步：電機運行時的運行步數，不等于理論步數。
不對中角：轉子齒軸線偏離定子齒軸線的角度。電機運行必然存在失準角，失準角帶來的誤差不是細分驅動能解決的。
運行轉矩-頻率特性：在一定的試驗條件下，測量電機運行時輸出轉矩與頻率的關系曲線。
7.步進電機的特點
一般步進電機精度為步距角的3-5%，不累加；
步進電機表面最高允許溫度取決于不同電機磁性材料的退磁點；
步進電機的轉矩會隨著轉速的增加而減小(U=E+L(di/dt)+I*R）
空載頻率：步進電機在空載條件下能正常啟動的脈沖頻率。如果脈沖頻率高于此值，電機不能正常啟動，可能會失步或失速。步進電機的啟動速度一般為10 ~ 100轉/分，伺服電機的啟動速度一般為100 ~ 300轉/分。根據電機的大小和負載，大電機一般對應較低的起動轉速。
低頻振動特性：步進電機在連續步進狀態下運動的同時反復運行。其跨步狀態的移動將產生一個單跨步響應。
電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，諧振區上移，反之亦然。步進電機低速時的振動和噪聲是其固有的缺點?？朔上嗷旌鲜讲竭M電機低速振動和噪聲的方法如下：
A.通過改變減速比等機械傳動，避開共振區；
b .采用具有細分功能的驅動器；
C.換成步距角更小的步進電機；
D.選擇電感大的電機。
E.換成交流伺服電機幾乎可以完全克服振動和噪音，但成本高；
f .采用小電流、低電壓驅動。
G.給電機軸增加磁阻尼器；
(8)中高頻穩定性
電機的估計固有頻率：
式中：Zr為轉子齒數；Tk是電機負載轉矩；j是轉子旋轉通量
恒流驅動
2.單極驅動
3.雙極驅動
4.微步進驅動
5.步進電機的閉環伺服控制
6.電機繞組通斷時電流與電壓的關系
7.電壓和電流以及速度和轉矩之間的關系
1.電機最大速度的選擇
2.電機定位精度的選擇
3.電機扭矩的選擇
三。電機選型的計算方法
通常，選擇電機時應遵循以下步驟：
電機最大速度的選擇
步進電機最高轉速一般為600轉/分。交流電機額定轉速一般為3000轉/分，最高轉速為5000轉/分。機械傳動系統應按此參數設計。
2.電機定位精度的選擇
機械傳動比確定后，可以根據控制系統的定位精度選擇步進電機的步距角和驅動器的細分級別。通常，電機選擇的步距角對應于系統定位精度的1/2或更小。注意：當細分級別大于1/4時，無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數量級。
3.電機扭矩的選擇
很難一下子確定步進電機的動態轉矩，所以我們往往先確定電機的靜態轉矩。靜態轉矩的選擇是基于電機的工作負載，負載分為慣性負載和摩擦負載。直接起動時(一般從低速開始)，兩種負載都要考慮。加速起動時要考慮慣性負載，勻速運行時要考慮摩擦負載。一般情況下，靜態扭矩應在摩擦載荷的2-3倍以內。一旦選定了靜態扭矩，就可以確定電機的底座和長度(幾何尺寸)。
慣性矩將物體的慣性矩計算為：
: dV是體積元素，物體的密度，R是體積元素到旋轉軸的距離。單位：千克米2
將負載質量轉換為電機輸出軸上的慣性矩。常見的傳輸機制和公式如下：
(1)加速度計算
如果要精確定位控制系統，必須加速和減速物體的運動，如下圖所示。
給定加速時間和最大速度Vmax，可以獲得電機的角加速度：
(1)電機轉矩的計算
彎矩計算公式為：
其中：TL是系統外力轉化為電機的扭矩，是傳動系統的效率。
四、計算實例(直線運動)
1.運動學計算
2.動態計算
3.選擇同步帶直徑和步進電機細分數m。
4.計算電機扭矩并選擇電機型號。
四、計算實例(直線運動)
1.步進電機驅動器接線方法
(2)光電隔離元件的作用：電氣隔離和抗干擾。
(3)共陽極連接、共陰極連接和差動連接。
陽極接合法
陰極連接方法
差模的典型連接方法
1.4、6和8線電機接線方法
a)四線電機和六線電機高速模式：輸出電流設定為等于或略小于電機的額定電流值；
b)六線電機高轉矩模式：輸出電流設定為電機額定電流的0.7倍；
c)八線電機并聯方式：輸出電流應設定為電機單極連接電流的1.4倍；
d)八線電機串聯：輸出電流應設定為電機單極連接電流的0.7倍。
1)振動和噪音(運行穩定性)；
2)中高速扭矩；
3)溫度上升(發熱)；
4)保護功能；
5)可靠性
:
1.什么是步進電機？什么情況下應該使用步進電機？
步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。一般來說，步進驅動器接收到一個脈沖信號，就驅動步進電機在設定的方向上旋轉一個固定的角度(和步進角度)。
你可以通過控制脈沖的個數來控制角位移，從而達到精確定位的目的；同時，你可以通過控制脈沖頻率來控制電機的速度和加速度，從而達到調速的目的。所以需要精確定位或速度控制時，可以考慮步進電機。
2.什么種類
反應式步進一般為三相，可以實現大扭矩輸出。步進角度一般在1.5度，但是噪音和震動都很大。80年代在歐美等發達國家已被淘汰?；旌鲜讲竭M是指結合永磁體和反應式的優點。分為兩相、四相和五相：兩相步進角一般為1.8度，五相步進角一般為0.72度。這種步進電機應用廣泛。
3.什么是保持扭矩？
保持轉矩是指步進電機通電但不轉動時，定子鎖住轉子的轉矩。它是步進電機最重要的參數之一。通常情況下，步進電機低速時的轉矩接近于保持轉矩。保持轉矩越大，電機的負載能力越強。由于步進電機的輸出轉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，所以保持轉矩成為衡量步進電機的重要參數之一。比如，當人們說步進電機為2N.m時，除非特別說明，否則都是指轉矩為2N。米（meter的縮寫））
4.步進電機的驅動方式有哪些？
一般來說，步進電機有兩種：恒壓驅動和恒流驅動。恒壓驅動幾乎已經被淘汰，目前廣泛使用的是恒流驅動。
5.步進電機的精度是多少？積累？
一般步進電機的精度是步距角的3-5%。步進電機一步的偏差不會影響下一步的精度，所以步進電機的精度不會累加。
6.步進電機允許的表面溫度是多少？
步進電機的高溫首先會使電機的磁性材料退磁，導致轉矩降低甚至損失。因此，電機表面的最高允許溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來說，磁性材料的退磁點都在130攝氏度以上，所以步進電機外部溫度在80-90攝氏度是完全正常的。
7.為什么步進電機的轉矩會隨著轉速的增加而減??？
步進電機旋轉時，電機各相繞組的電感會形成反電動勢；頻率越高，反電動勢越大。在其作用下，電機的相電流隨著頻率(或轉速)的增大而減小，從而導致轉矩的減小。
8.為什么步進電機低速可以正常運行，但高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫？
步進電機有一個技術參數：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，可能會失步或失速。在負載條件下，起動頻率應更低。如果電機要高速旋轉，脈沖頻率要有一個加速過程，即起始頻率低，然后以一定的加速度上升到所需的高頻(電機轉速從低速上升到高速)。我們建議空載啟動頻率應選擇為電機旋轉一周所需脈沖數的兩倍。
9.如何克服兩相混合式步進電機低速運行時的振動和噪音？
步進電機低速旋轉時的振動和噪聲是其固有的缺點。一般可以采用以下解決方法來克服：a .如果步進電機剛好工作在諧振區，可以通過改變減速比來提高步進電機的運行速度。
b、使用帶細分功能的驅動，這是最常用也是最簡單的方法。因為細分驅動電機的相電流轉換比半步驅動電機平緩。
C.換成步距角更小的步進電機，比如三相或五相步進電機，或者兩相細分步進電機。
D.改用DC或交流伺服電機幾乎可以完全克服振動和噪音，但成本較高。
e、給電機軸加磁阻尼器。市場上已經有這種產品，但是機械結構發生了很大的變化。
10.細分驅動的細分數能代表精度嗎？
步進電機的細分技術本質上是一種電子阻尼技術(請參考相關文獻)，其主要目的是減少或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運行精度只是細分技術的附帶功能。例如，對于步進角為1.8度的兩相混合式步進電機，如果細分驅動器的細分數設置為4，則電機的運行分辨率為每脈沖0.45度，電機的精度能否達到或接近0.45度取決于細分驅動器的細分電流控制精度等其他因素。不同廠商的細分驅動精度可能相差很大；細分數越大，精度越難控制。
11.四相驅動組合式步進電機和驅動器的串聯方式和并聯方式有什么區別？
四相混合式步進電機一般由兩相驅動器驅動，所以四相電機可以串聯或并聯成兩相。串聯方式一般用于電機轉速較高的場合。此時驅動器所需輸出電流是電機相電流的0.7倍，所以電機發熱很??；并聯方式一般用于電機轉速較高的場合(也叫高速連接方式)，驅動器所需輸出電流為電機相電流的1.4倍，因此電機發熱較大。
12.如何確定步進電機驅動器的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.過載能力不同。
5.不同的運行性能
6.不同速度響應性能
7.不同的效率指標
:
1.不同控制精度
兩相步進電機步距角為1.8；德國Bergera公司生產的三相混合式步進電機及驅動器，可通過細分控制實現1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036步距角，兼容兩相、五相步進電機的步距角。交流伺服電機的控制精度由電機后端的編碼器來保證。對于一臺標準2500線編碼器的電動機，如果驅動器采用4倍頻技術，其脈沖當量為360/10000=0.036；對于17位編碼器的電機，驅動器每次接收217=131072個脈沖，脈沖當量為360/131072=0.00274658，是步距角為1.8的步進電機脈沖當量的1/655。
1.不同的低頻特性
兩相混合式步進電機在低速運行時容易產生低頻振動。交流伺服電機運行平穩，即使低速也不會有低頻振動。
2.不同的矩頻特性。
步進電機的輸出轉矩隨著轉速的增加而減小，在更高的轉速下會急劇減小。交流伺服電機有恒轉矩輸出，即能在額定轉速范圍內(如3000轉/分)輸出額定轉矩。
3.過載能力不同。
步進電機一般沒有過載能力，而交流伺服電機過載能力很強。一般最大扭矩可以是額定扭矩的三倍，用來克服起動瞬間慣性負載的慣性力矩。步進電機不具備這種過載能力，所以為了克服這種慣性矩，往往需要選擇轉矩較大的電機，導致轉矩浪費的現象。
1.不同的運行性能
步進電機的控制是開環控制，啟動頻率過高或負載過大時容易失步或失速。停機時，如果轉速過高，很容易超調。所以要保證控制精度，就要處理好上升和下降的問題。交流伺服驅動系統是一個閉環控制系統，由位置環和速度環組成。一般沒有失步和超調，控制性能比較可靠。
2.不同速度響應性能
步進電機從靜止加速到工作速度(通常為幾百轉/分)需要200~400ms。交流傳動系統具有良好的加速性能，從靜止加速到工作轉速(如3000轉/分)通常只需幾毫秒，因此可用于快速啟動控制場合。
3.不同的效率指標
步進電機的效率相對較低
