步進(jìn)電機(jī)常識與矩頻曲線

1、步進(jìn)常識1. 什么是步進(jìn)電機(jī)?步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進(jìn)角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。2. 步進(jìn)電機(jī)分哪幾種?步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM）,反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是

2、指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。3. 什么是保持轉(zhuǎn)矩（HOLDINGTORQUE）?保持轉(zhuǎn)矩（HOLDINGTORQUE）是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動時,定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。4. 什么是DETENTTORQUE?（起

3、動轉(zhuǎn)扭）DETENTTORQUE是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENTTORQUE在國沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENTTORQUE。5. 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。6. 步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。7. 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電

4、動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。8. 為什么步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲?步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)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(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。9. 如何克服兩相混合式步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時的振動和噪聲?步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大是其固有的缺點(diǎn)，一般可

5、采用以下方案來克服：A.如步進(jìn)電機(jī)正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比等機(jī)械傳動避開共振區(qū)；B.采用帶有細(xì)分功能的驅(qū)動器，這是最常用的、最簡便的方法；C.換成步距角更小的步進(jìn)電機(jī)，如三相或五相步進(jìn)電機(jī)；D.換成交流伺服電機(jī)，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高；E.在電機(jī)軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產(chǎn)品，但機(jī)械結(jié)構(gòu)改變較大。10. 細(xì)分驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)是否能代表精度?步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)（請參考有關(guān)文獻(xiàn)），其主要目的是減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動，提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)的一個附帶功能。比如對于步進(jìn)角為1.8的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，如果細(xì)分驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為4，那

6、么電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)分辨率為每個脈沖0.45，電機(jī)的精度能否達(dá)到或接近0.45，還取決于細(xì)分驅(qū)動器的細(xì)分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細(xì)分驅(qū)動器精度可能差別很大；細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制。11. 四相混合式步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動器的串聯(lián)接法和并聯(lián)接法有什么區(qū)別?四相混合式步進(jìn)電機(jī)一般由兩相驅(qū)動器來驅(qū)動，因此，連接時可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián)接法將四相電機(jī)接成兩相使用。串聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較的場合使用，此時需要的驅(qū)動器輸出電流為電機(jī)相電流的0.7倍，因而電機(jī)發(fā)熱小；并聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的場合使用（又稱高速接法），所需要的驅(qū)動器輸出電流為電機(jī)相電流的1.4倍，因而電機(jī)發(fā)熱較大。12. 如何確定步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器

7、的直流供電電源?A.電壓的確定混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的供電電源電壓一般是一個較寬的圍（比如IM483的供電電壓為1248VDC）,電源電壓通常根據(jù)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機(jī)工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅(qū)動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動器。B.電流的確定供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動器的輸出相電流丨來確定。如果采用線性電源，電源電流一般可取丨的1.11.3倍；如果采用開關(guān)電源，電源電流一般可取丨的1.52.0倍。13. 混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脫機(jī)信號FREE般在什么情況下使用？當(dāng)脫機(jī)信號FREE為低電平時，驅(qū)動器輸出到電機(jī)的電流被切斷，電機(jī)

8、轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（脫機(jī)狀態(tài)）。在有些自動化設(shè)備中，如果在驅(qū)動器不斷電的情況下要求直接轉(zhuǎn)動電機(jī)軸（手動方式），就可以將FREE信號置低，使電機(jī)脫機(jī)，進(jìn)行手動操作或調(diào)節(jié)。手動完成后，再將FREE信號置高，以繼續(xù)自動控制。14. 如果用簡單的方法調(diào)整兩相步進(jìn)電機(jī)通電后的轉(zhuǎn)動方向？只需將電機(jī)與驅(qū)動器接線的A+和A-（或者B+和B-）對調(diào)即可。關(guān)于驅(qū)動器的細(xì)分原理及一些相關(guān)說明在國外，對于步進(jìn)系統(tǒng)，主要采用二相混合式步進(jìn)電機(jī)及相應(yīng)的細(xì)分驅(qū)動器。但在國，廣大用戶對“細(xì)分”還不是特別了解，有的只是認(rèn)為，細(xì)分是為了提高精度，其實(shí)不然，細(xì)分主要是改善電機(jī)的運(yùn)行性能，現(xiàn)說明如下：步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制是由驅(qū)動器精確控

9、制步進(jìn)電機(jī)的相電流來實(shí)現(xiàn)的，以二相電機(jī)為例，假如電機(jī)的額定相電流為3A,如果使用常規(guī)驅(qū)動器（如常用的恒流斬波方式）驅(qū)動該電機(jī)，電機(jī)每運(yùn)行一步，其繞組的電流將從0突變?yōu)?A或從3A突變到0,相電流的巨大變化，必然會引起電機(jī)運(yùn)行的振動和噪音。如果使用細(xì)分驅(qū)動器，在10細(xì)分的狀態(tài)下驅(qū)動該電機(jī)，電機(jī)每運(yùn)行一微步，其繞組的電流變化只有0.3A而不是3A，且電流是以正弦曲線規(guī)律變化,這樣就大大的改善了電機(jī)的振動和噪音，因此，在性能上的優(yōu)點(diǎn)才是細(xì)分的真正優(yōu)點(diǎn)。由于細(xì)分驅(qū)動器要精確控制電機(jī)的相電流，所以對驅(qū)動器要有相當(dāng)高的技術(shù)要求和工藝要求，成本亦會較高。注意，國有一些驅(qū)動器采用“平滑”來取代細(xì)分，有的亦稱為

10、細(xì)分，但這不是真正的細(xì)分，望廣大用戶一定要分清兩者的本質(zhì)不同：15電機(jī)的相電流被平滑后，會引起電機(jī)力矩的下降，而細(xì)分控制不但不會引起電機(jī)力矩的下降，相反，力矩會有所增加。16“平滑”并不精確控制電機(jī)的相電流，只是把電流的變化率變緩一些，所以“平滑”并不產(chǎn)生微步，而細(xì)分的微步是可以用來精確定位的。17.兩相和五相的混合式步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用場合有何不同？問題解答：一般來說，兩相電機(jī)步距角大，高速特性好,但是存在低速振動區(qū)。而五相電機(jī)步距角小，低速運(yùn)行平穩(wěn)。所以，在對電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度要求較高，且主要在中低速段（一般低于600轉(zhuǎn)/分）的場合應(yīng)選用五相電機(jī)；反之，若追求電機(jī)的高速性能，對精度及平穩(wěn)性無太多要求

11、的場合應(yīng)選用成本較低的兩相電機(jī)。另外，五相電機(jī)的力矩通常在2NM以上，對小力矩的應(yīng)用，一般采用兩相電機(jī)，而低速平穩(wěn)性的問題可以通過采用細(xì)分驅(qū)動器的方式解決。和步進(jìn)電機(jī)相比，伺服電機(jī)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：1、實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問題；2、高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到20003000轉(zhuǎn)；3、抗過載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對有瞬間負(fù)載波動和要求快速起動的場合特別適用；4、低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時不會產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場合；5、電機(jī)加減速的動態(tài)相應(yīng)時間短，一般在幾十毫秒之；6、發(fā)熱和噪音明顯降低。矩頻特性曲線下圖是和利時的

12、某型3相步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線。所謂矩頻特性曲線，是指步進(jìn)電機(jī)扭矩與輸入信號頻率關(guān)系的曲線，其實(shí)相當(dāng)于其他電機(jī)如伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線。從曲線上可以看出，隨著輸入頻率的升高，步進(jìn)電機(jī)扭矩下降很快。這應(yīng)該可以解釋步進(jìn)電機(jī)“失步”的現(xiàn)象，當(dāng)輸入頻率升高后，電機(jī)輸出減少，響應(yīng)就跟不上了，于是就出現(xiàn)了“失步”?？梢钥吹綇?KHz開始，頻率再高，電機(jī)實(shí)際輸出的扭矩就開始減小了，不妨稱其為“截止頻率”。圖上還可以看到最下面是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，對應(yīng)1KHz的是100rpm.由圖上可知此時步距角為0.6度0.6*1000=600度這是1s電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度600*60=36000度這是1min電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度360

13、00/360=100轉(zhuǎn)這就是電機(jī)轉(zhuǎn)速，每min100轉(zhuǎn)這里0.6度的步距角是電機(jī)的半步步距角，而實(shí)際工作時的步距角與驅(qū)動器有關(guān)。再看下圖，是從和利時步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器30806n手冊里截的圖。SW1SW2戒卑葫涉故3W1SW2SW3ONOHOhonr30000OFFOFFONOFF3200OffONONWlnONdhOFFOFF2K0bri囲OFFMMOFFONOFFOFF1KQNOFFOhONrawOFFONOTON1K0OFFGNOhOfFONPFOFFOFF$00OfFOffOhOnC=3GaONOFFOffONMOOnONOFFONMMOFFOFFOFFOHr勉omOFFowOFFOFFOFFOFFOFF這是驅(qū)動器上撥碼開關(guān)對步距角進(jìn)行細(xì)分。以400步/轉(zhuǎn)為例，表示一轉(zhuǎn)400步，這樣360度/400=0.9度，步距角為0.9度。矩頻曲線圖上的0.6度，算一下其實(shí)就是600步/轉(zhuǎn)。我們再隨便拿一個細(xì)分出來，以10000步/轉(zhuǎn)為例吧，此時步距角為360/10000=0.036度，這樣電機(jī)控制精度就相當(dāng)高了。如果驅(qū)動器還是輸出1KHz的信號，這時的轉(zhuǎn)速就變成了0.036*1000*60/360=6r