汉德保步进电机培训笔记.docx
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汉德保步进电机培训笔记
汉德保步进电机培训笔记
混合式步进电动机也称为感应子式步进电动机这是一种十分流行的步进电动机它既有反应式步进电动机小步距角的特点又有永磁式步进电动机的高效率绕组电感比较小的特点常常也作为低速同步电动机运行。
对于任意一款驱动器必须了解以下参数:
电流是有效值，还是峰值
电压:
交流还是直流，电压范围
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。
细分数:
是否带细分，细分的进制（主要要二进制，三进制，5进制）细分范围工作脉冲方式:
单/双
信号输入方式:
共阳，共阴，独立
信号输入电压范围:
5V，12V，24V
步进电机的分类
主要有反应式永磁式和混合式近年来又发展有直线步进电动机和平面步进电动机等。
4、动态指标及术语:
1、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。
2、保持转矩（HoldingTorque）
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。
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，所以保持力矩就成为衡量步进电机的最重要参数之一。
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。
3、定位力距（DETENTTORQUE）
电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩
4、步距角
对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。
θ=360度（转子齿数*执行步数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。
四步执行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八步执行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。
5、步距角精度
步进电机每转过一个步矩角的实际值与理论值的误差。
用百分比表示:
（误差,步距角）100%。
步矩角的误差不累积。
6、最大空载起动频率
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
7、最大空载的运行频率
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，电机不带负载的最高运行频率。
8、相电流
电机绕组所通过的电流。
9、电机的矩频特性
电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与脉冲频率关系的曲线称为电机矩特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选样的根本依据。
静力矩，随着电机速度自增加，电机辅出力矩不断衰减。
电机的动态力矩取决于电机运行时的相电流在额定电流和电压下，相电流越大，电机输出力矩在低速时越大，电压越高，高速运转时力矩越大。
10、失步（丢步）
因为步进电机的定子和转子磁极作得很精密，在不动作的情况下，靠定子和转子靠异性磁极吸住，不能运转，这种情况叫自锁。
给一个脉冲信号，磁极就向前旋转一定角度，转子的磁极也在电磁力作用下前进一个角度。
不断给脉冲，电机不断的根据设定角度转动，如果负载过大，磁极前进了，转子没有转动，称为失步。
比如控制器给发电机发了n个脉冲，步进电机并没有转动n个步距角。
一般当电机力矩偏小、加速度偏大、速度偏高、摩擦力不均匀等都会使丢步现象发生。
11、启动矩频特性
在给定驱动的情况下，负载的转动惯量一定时，启动频率同负载转矩之间的关系称为启动矩频特性，又称牵入特性。
12、运行矩频特性
在负载转动惯量不变时，运行频率同负载转矩之间的关系成为运行矩频特性，又称牵出特性。
13、静态相电流
电机不动时每相绕组允许通过的电流，即额定电流。
14、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。
15、电机的共振点:
步进电机均有固定的共振区域，（以200HZ到400HZ）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，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。
8、电机正反转控制:
当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或（）时为正转，通电时序为DA-CD-BC-AB或（）时为反转。
16、步进电机的电感值
步进电机转子内部固有的永久磁铁，电感与电阻一起，作为另一个重要参数出现，对电机的动态特性影响极为显著。
低电阻、低电感电机起动频率与运行频率较高，电机可以在较高频率段工作，但驱动中要注意想办法克服马达的电磁噪声;大电阻、大电感电机起动频率与运行频率相对较低，电磁噪声效果明显变低，但电机只能在低、中频区间工作。
如何减少电机的发热:
减少发热，就是减少铜损和铁损。
减少铜损有两个方向，减少电阻和电流，这就要求在选型时尽量选择电阻小和额定电流小的电机，对两相电机，能用串联的电机就不用并联电机。
但是这往往与力矩和高速的要求相抵触。
对于已经选定的电机，则应充分利用驱动器的自动半流控制功能和脱机功能，前者在电机处于静态时自动减少电流，后者干脆将电流切断。
另外，细分驱动器由于电流波形接近正弦，谐波少，电机发热也会较少。
减少铁损的办法不多，电压等级与之有关，高压驱动的电机虽然会带来高速特性的提升，但也带来发热的增加。
所以应当选择合适的驱动电压等级，兼顾高速性，平稳性和发热，噪音等指标。
以下是相关参数
1、引入转矩（pull-intorque）
引入转矩是指步进马达能够与输入讯号同步起动、停止时的最大力矩，因此在引入转矩以下的区域中马达可以随着输入讯号做同步起动、停止、以及正反转，而此区域就称作自起动区（start-stopregion）。
、最大自起动转矩（maximumstartingtorque）
最大自起动转矩是指当起动脉波率低于10pps时，步进马达能够与输入讯号同步起动、停止的最大力矩。
最大自起动频率是指马达在无负载（输出转矩为零）时最大的输入脉波率，此时马达可以瞬间停止、起动。
3、脱出转矩（pull-outtorque）最大自起动频率（maximumstartingpulserate）
脱出转矩是指步进马达能够与输入讯号同步运转，但无法瞬间起动、停止时的最大力矩，因此超过脱出转矩则马达无法运转，同时介于脱出转矩以下与引入转矩以上的区域则马达无法瞬间起动、停止，此区域称作扭转区域（slewregion），若欲在扭转区域中起动、停止则必须先将马达回复到自起动区，否则会有失步现象的发生。
业务和技术支持相关人员应重点了解以下几点，
1、脉冲当量
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
2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/（（360/T）*x）
其中:
步进电机的转速单位是:
转/分频率单位是:
赫兹x实指细分倍数T:
固有步进角
举例说明:
步进电机采用整步，步距角为1.8度，即1细分;频率1K，即1000赫兹;套用公式:
1000*60/200=300转/分
:
1电机轴转10圈，减速箱输出一圈3减速比是增加电机输出转矩。
比如10
同步轮:
即丝杆与电机转动速度一致，
要使用单脉冲时，，CW/CCW接高电平或低电平电机正转或反转。
要使用双脉冲时，CW/CCW接高，CW接收脉冲时电机正转，CCW接收脉冲时电机反转。
4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=2πfM/400（半步工作）其中f为每秒脉冲数（简称PPS），M为力矩单位为牛顿?
米
4，步近电机的精度约为?
0.03
电机的控制
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
细分驱动方式
一般步进电动机受制造工艺的限制它的步距角是有限的而实际中的某些系统往往要求步进电动机的步距角必须很小才能完成加工工艺要求如数控机床为了提高加工精度要求脉冲当量为0.01mm/脉冲左右甚至要求达到0.001mm/脉冲左右这时一般的驱动方式是无能为力的为此常采用细分驱动方式所谓细分驱动方式就是把原来的一步再细分成若干步使步进电动机的转动近似为匀速运动并能在任何位置停步为达到这一目的可将原来的矩形脉冲电流改为阶梯波电流如图所示这样在输入电流的每个阶梯电机转动一步步距角减小了很多从而提高了运行的平滑性改善了低频特性负载能力也有所增加
调频调压电流波形
a低频低压b高频高压
图4-39阶梯电流波形
实现
一步进电动机的控制
由于步进电动机能直接接收数字量信号所以被广泛应用于数字控制系统中较简单的控制电路是利用一些数字逻辑单元组成即采用硬件的方式但要改变系统的控制功能一般都要重新设计硬件电路灵活性较差以微型计算机为核心的计算机控制系统为步进电动机的控制开辟了新的途径利用计算机的软件或软硬件相结合的方法能使系统的功能大大增强同时也提高了系统的灵活性和可靠性以步进电动机作为执行元件的数字控制系统有开环和闭环两种形式
1开环控制
步进电动机系统的主要特点是能实现精确位移精确定位且无积累误差这是因为步进电动机的运动受输入脉冲控制其位移量是断续的总的位移量严格等于输入
的指令脉冲数或其平均转速严格正比于输入指令脉冲的频率若能准确控制输入指令脉冲的数量或频率就能够完成精确的位置或速度控制无需系统的反馈形成所谓的开环控制系统步进电机的开环控制系统由控制器包括变频信号源脉冲分配器驱动电路及步进电动
机四部分组成如图所示
开环控制系统的精度主要取决于步距角的精度和负载状况
步进电动机开环控制原理框图
开环控制常常采用加减定位控制方式因为步进电动机的启动频率要比连续运行频率小所以开环控制的脉冲指令频率只有小于电机的最大启动频率电机才能成功启动若电动机的工作频率总是低于最高启动频率当然不会失步但没有充分发挥电机的潜力工作速度太低为此常用加减速定位控制电机开始以低于最高启动频率的某一频率启动然后再逐步提高频率使电机逐步加速到达最高运行频率电机高速转动在到达终点前降频使电机减速这样就可以既快又稳地准确定位如图所示由于步进电动机的电磁转矩受频率影响较大所以负载的加减速控制不能像普通电机那样为了实现加减速的最佳控制往往是分段设计加速转矩和加速时间采用微机控制来实现由于开环控制系统不需要反馈元件结构比较简单工作可靠成本低因而在数字控制系统
中得到广泛的应用
2闭环控制系统
在开环控制系统中电机响应控制指令后的实际运行情况控制系统是无法预测和监视的在某些运行速度范围宽负载大小变化频繁的场合步进电动机很容易失步使整个系统趋于失控另外对于高精度的控制系统采用开环控制往往满足不了精
度的要求因此必须在控制回路中增加反馈环节构成闭环控制系统如图所示与开环系统相比多了一个由位置传感器组成的反馈环节将位置传感器测出的负载实际位置与位置指令值相比较用比较信号进行控制不仅可防止失步还能够消除位置误差提高系统的精度闭环控制系统的精度与步进电动机有关但主要是取决于位置传感器的精度在数字位置随动系统中为了提高系统的工作速度和稳定性还有速度反馈内环
图4-47步进电动机闭环系统原理框图
Q:
什么是步进电机，什么是步进电机驱动器,
A:
步进电机是一种作为控制用的特种电机,它的旋转是以固定的角度（称为“步距角”）一步一步运行的,其特点是没有积累误差,所以广泛应用于各种开环控制。
步进电机的运行要有一电子装置进行驱动,这种装置就是步进电机驱动器,它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移,或者说:
控制系统每发一个脉冲信号,通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。
所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。
所以，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速;控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位目的。
Q:
步进电机精度为多少,是否累积?
A:
一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。
Q:
步进电机的外表温度允许达到多少?
A:
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。
Q:
为什么步进电机的力矩会随转速的升高而下降?
A:
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。
Q:
如何控制步进电机的旋转方向,
A:
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步进电机驱动器即可，如A+和A-交换。
对于三相电机，不能将其中一相的电机线交换，而应顺序交换其中的两相，如把A+和B+交换，A-和B-交换。
Q:
步进电机的噪声特别大，没有力，并且电机振动，怎么办,
A:
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。
Q:
当步进电机通电后，电机轴不转怎么办,
A:
有以下几种原因会造成电机不转:
1.过载堵转
2.电机是否已损坏
3.电机是否处于脱机状态
4.脉冲信号CP是否到零
Q:
步进电机驱动器通电后，电机在抖动，不能运转，怎么办,
A:
遇到这种情况，首先检查电机的绕组与驱动器连接又没有接错，如没有接错，再检查输入脉冲信号频率是否太高，是否升降频设计不合理。
若以上原因都不是，可能是驱动器缺相，请速与我公司联系。
Q:
如何做好步进电机的升降曲线,
A:
步进电机的转速是随输入脉冲信号的变化而变化的。
从理论上说，只要给驱动器脉冲信号即可。
每给驱动器一个脉冲（CP），步进电机就旋转一个步距角（细分时为一个细分步距角）。
但是，由于步进电机性能关系，CP信号变化太快，步进电机将跟不上电信号的变化，这时会产生堵转和丢步现象。
所以步进电机要在高速时，必须有升速过程，在停止时必须有降速过程。
一般升速与降速规律相同，以下以升速为例介绍:
升速过程由起跳频率加升速曲线组成（降速过程反之）。
起跳频率不能太大，否则也会产生堵转和失步。
升降速曲线一般是为指数曲线或经过修调的指数曲线，当然也可采用直线
或正弦曲线等。
用户需根据自己的负载选择合适的响应频和升降速曲线，找到一条理想的曲线并不容易，一般需要多次试机才行。
指数曲线在实际软件编程过程中比较麻烦，一般事先算好时间常数存储在计算机存储器呢，工作过程中直接选取。
Q:
步进电机发烫，正常温度范围是多少,
A:
步进电机温度过高会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至失步。
因此电机外表允许最高温应取决于不同磁性材料的退磁点。
一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至还高。
所以步进电机外表在摄氏80-90度完全正常。
Q:
两相步进电机和四相步进电机有何不同,
A:
两相步进电机在定子上只有两个绕组，有四根出线，整步为1.8?
，半步为0.9?
。
在驱动器中，只要对两相绕组电流通断和电流方向进行控制就可以了。
而四相步进电机在定子上有四个绕组，有八根出线，整步为0.9?
，半步为0.45?
，不过驱动器中需要对四个绕组进行控制，电路相对复杂了。
所以两相电机配两相驱动器，四相八线电机有并联、串联、单极型三种接法。
并联接法:
四相绕组两两相并，绕组的电阻与电感成倍减小，电机运行时加速性能好，高速带载力矩大，但是电机需要输入两倍于额定电流的电流，发热较大，对驱动器输出能力要求相应提高。
而在串联使用时，绕组的电阻与电感成倍的增大，电机低速运行时稳定，噪音和发热较小，对驱动器要求不高，但高速力矩损耗大。
所以用户可根据要求来选择四相八线的步进电机接线方法。
Q:
电机是四相六根线，而步进电机驱动器只要求解四根线时，该怎样使用,
A:
对于四相六根线电机，中间抽头的两根线悬空不接，其他四根线和驱动器相连。
Q:
反应式步进电机与混合式步进电机的区别,
A:
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。
Q:
电机的噪音特别大;而且没有力，电机本身在振动,
A:
这种情况是因为步进电机工作在振荡区，一般改变输入信号频率CP就可以解决此问题。
Q:
电机在低速运行时正常，当是频率略高一点就出现堵转现象,
A:
这种情况多是因为加在驱动器的电源电压不够高引起的;把输入电压加高一些，就可以解决此问题,注意不能高于驱动器电源端标注的最高电压;否则会引起驱动器烧毁.
Q:
驱动器通电以后，电机在抖动，不能运转,
A:
首先检查电机的绕组与驱动器连接有没有接错;如没有接错再检查输入频率CP是否太高;是否升降频设计不合理，参考升降频设计;以上原因都不是，可能是驱动器烧毁，请与我们联系。
Q:
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?
A:
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）。
Q:
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?
A:
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:
1.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区;
2.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法;
3.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机;
4.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高;
5.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。
Q:
细分驱动器的细分数是否能代表精度?
A:
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?
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;细分数越大精度越难控制。
Q:
四相混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?
A:
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。
Q:
如何确定步进电机驱动器的直流供电电源?
A:
1.电压的确定:
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B804的供电电压为12,80VDC），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。
2.电流的确定:
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。
Q:
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?
A:
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。
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