步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器原理詳細(xì)講解

主要內(nèi)容

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡介

驅(qū)動(dòng)器簡介

電機(jī)選型計(jì)算方法

計(jì)算例題

電機(jī)接線

評(píng)判步進(jìn)系統(tǒng)好壞的依據(jù)

使用過程中常見問題及原因分析

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的常見問題 （FAQ)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與交流伺服電動(dòng)機(jī)的性能比較

驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品測(cè)試對(duì)比

一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡介

1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的歷史

2.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定義

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的機(jī)座號(hào)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡介

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的歷史：德國百格拉公司于1973年發(fā)明了五相混合式步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器；1993年又推出了性能更加優(yōu)越的三相混合式步進(jìn)電機(jī)。我國在80年代以前，一直是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)占統(tǒng)治地位，混合式步進(jìn)電機(jī)是80年代后期才開始發(fā)展。

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

3. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理

以單極性電機(jī)為例來解釋

工作原理

4.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的機(jī)座號(hào)：主要有35、39、42、57、86、110等

5. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造：由轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體、轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)的定子有8個(gè)大齒，40個(gè)小齒，轉(zhuǎn)子有50個(gè)小齒；三相電機(jī)的定子有9個(gè)大齒，45個(gè)小齒，轉(zhuǎn)子有50個(gè)小齒。

6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)：是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有兩相、三相、五相步進(jìn)電機(jī)。

拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)，用m表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)。

保持轉(zhuǎn)矩：是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。

步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移。

定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩。

失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。

失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。

運(yùn)行矩頻特性：電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線 。

7.步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)

一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步距角的3-5%，且不累積；

步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；

步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降（U=E+L(di/dt)+I*R）

空載啟動(dòng)頻率：即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。 步進(jìn)電機(jī)的起步速度一般在10~100RPM，伺服電機(jī)的起步速度一般在100~300RPM。根據(jù)電機(jī)大小和負(fù)載情況而定，大電機(jī)一般對(duì)應(yīng)較低的起步速度。

低頻振動(dòng)特性：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以連續(xù)的步距狀態(tài)邊移動(dòng)邊重復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。其步距狀態(tài)的移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生1 步距響應(yīng)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然。步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪聲大是其固有的缺點(diǎn)，克服兩相混合式步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)和噪聲方法：

a.通過改變減速比等機(jī)械傳動(dòng)避開共振區(qū)；

b.采用帶有細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)器；

c.換成步距角更小的步進(jìn)電機(jī)；

d.選用電感較大的電機(jī)

e.換成交流伺服電機(jī)，幾乎可以完全克服震動(dòng)和噪聲，但成本高；

f.采用小電流、低電壓來驅(qū)動(dòng)。

g.在電機(jī)軸上加磁性阻尼器；

(8)中高頻穩(wěn)定性

電機(jī)的固有頻率估算值：

式中：Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；Tk為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)貫量

二、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器簡介

恒流驅(qū)動(dòng)

2.單極性驅(qū)動(dòng)

3.雙極性驅(qū)動(dòng)

4.微步驅(qū)動(dòng)

5.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)伺服控制

6.導(dǎo)通和截止時(shí)的電機(jī)繞組電流和電壓的關(guān)系

7.電壓和電流與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

三、電機(jī)選型計(jì)算方法

1.電機(jī)最大速度選擇

2.電機(jī)定位精度的選擇

3.電機(jī)力矩選擇

三、電機(jī)選型計(jì)算方法

選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循以下步驟：

電機(jī)最大速度選擇

步進(jìn)電機(jī)最大速度一般在600 rpm。交流伺服電機(jī)額定速度一般在3000 rpm，最大轉(zhuǎn)速為5000rpm。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)要根據(jù)此參數(shù)設(shè)計(jì)。

2. 電機(jī)定位精度的選擇

機(jī)械傳動(dòng)比確定后，可根據(jù)控制系統(tǒng)的定位精度選擇步進(jìn)電機(jī)的步距角及驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分等級(jí)。一般選電機(jī)的一個(gè)步距角對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)定位精度的1/2 或更小。注意：當(dāng)細(xì)分等級(jí)大于1/4后，步距角的精度不能保證。伺服電機(jī)編碼器的分辨率選擇：分辨率要比定位精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

3. 電機(jī)力矩選擇

步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來（幾何尺寸）

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

式中：dV為體積元，為物體密度，r為體積元與轉(zhuǎn)軸的距離。單位：kgm2

將負(fù)載質(zhì)量換算到電機(jī)輸出軸上轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，常見傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與公式如下：

(1)加速度計(jì)算

控制系統(tǒng)要定位準(zhǔn)確，物體運(yùn)動(dòng)必須有加減速過程，如下圖所示。

已知加速時(shí)間 、最大速度Vmax，可得電機(jī)的角加速度：

(1)電機(jī)力矩計(jì)算

力矩計(jì)算公式為：

式中：TL為系統(tǒng)外力折算到電機(jī)上的力矩，為傳動(dòng)系統(tǒng)的效率。

四、計(jì)算例題（直線運(yùn)動(dòng)）

1.運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算

2.動(dòng)力學(xué)計(jì)算

3.選擇同步帶直徑Φ和步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)m

4.計(jì)算電機(jī)力矩，選擇電機(jī)型號(hào)

四、計(jì)算例題（直線運(yùn)動(dòng)）

七、電機(jī)接線方法

1.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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