步進電機步進驅動器原理詳細講解

步進電機步進驅動器原理詳細講解第1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五步進電機原理詳細講解

單位：成都睿騰萬通科技有限公司2017年8月21日

第2頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五主要內(nèi)容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(tǒng)好壞的依據(jù)使用過程中常見問題及原因分析步進驅動系統(tǒng)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(chǎn)品測試對比第3頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五一、步進電動機簡介步進電動機的歷史步進電動機的定義步進電動機的工作原理步進電動機的機座號步進電動機構造步進電動機主要參數(shù)步進電動機的特點第4頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五一、步進電動機簡介步進電動機的歷史：德國百格拉公司于1973年發(fā)明了五相混合式步進電機及其驅動器；1993年又推出了性能更加優(yōu)越的三相混合式步進電機。我國在80年代以前，一直是反應式步進電機占統(tǒng)治地位，混合式步進電機是80年代后期才開始發(fā)展。步進電動機的定義：是一種專門用于速度和位置精確控制的特種電機，它旋轉是以固定的角度（稱為步距角）一步一步運行的，故稱步進電機。3.步進電動機的工作原理

以單極性電機為例來解釋工作原理第5頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五第6頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五第7頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五第8頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五第9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五第10頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五第11頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五4.

步進電動機的機座號：主要有35、39、42、57、86、110等5.步進電動機構造：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。電動機構造圖轉軸成平行方向的斷面圖第12頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五6.

步進電動機主要參數(shù)步進電機的相數(shù)：是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有兩相、三相、五相步進電機。拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或導電狀態(tài)，用m

表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數(shù)。保持轉矩：是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移。定位轉矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩。失步：電機運轉時運轉的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。失調(diào)角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。

運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線。第13頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五7.

步進電機的特點一般步進電機的精度為步距角的3-5%，且不累積；步進電機外表允許的最高溫度取決于不同電機磁性材料的退磁點；步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降（U=E+L(di/dt)+I*R）

矩頻特性曲線第14頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五空載啟動頻率：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，可能發(fā)生丟步或堵轉。步進電機的起步速度一般在10~100RPM，伺服電機的起步速度一般在100~300RPM。根據(jù)電機大小和負載情況而定，大電機一般對應較低的起步速度。低頻振動特性：步進電動機以連續(xù)的步距狀態(tài)邊移動邊重復運轉。其步距狀態(tài)的移動會產(chǎn)生1步距響應。1步距響應圖第15頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然。步進電機低速轉動時振動和噪聲大是其固有的缺點，克服兩相混合式步進電機在低速運轉時的振動和噪聲方法：通過改變減速比等機械傳動避開共振區(qū)；采用帶有細分功能的驅動器；換成步距角更小的步進電機；選用電感較大的電機換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本高；采用小電流、低電壓來驅動。在電機軸上加磁性阻尼器；中高頻穩(wěn)定性電機的固有頻率估算值：

式中：Zr為轉子齒數(shù)；Tk為電機負載轉矩；J為轉子轉動貫量第16頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五二、步進驅動器簡介恒流驅動單極性驅動雙極性驅動微步驅動步進電動機的閉環(huán)伺服控制導通和截止時的電機繞組電流和電壓的關系電壓和電流與轉速、轉矩的關系

第17頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五二、步進驅動器簡介步進驅動器：是一種能使步進電機運轉的功率放大器，能把控制器發(fā)來的脈沖信號轉化為步進電機的角位移，電機的轉速與脈沖頻率成正比，所以控制脈沖頻率可以精確調(diào)速，控制脈沖數(shù)就可以精確定位。電機控制原理圖第18頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五恒流驅動恒流控制的基本思想是通過控制主電路中MOSFET的導通時間，即調(diào)節(jié)MOSFET觸發(fā)信號的脈沖寬度，來達到控制輸出驅動電壓進而控制電機繞組電流的目的。H橋恒頻斬波恒相流驅動電路原理框圖電流PWM細分驅動電路示意圖

第19頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五單極性驅動單極性驅動原理圖雙極性驅動雙極性驅動原理圖第20頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五微步驅動

微步驅動技術是一種電流波形控制技術。其基本思想是控制每相繞組電流的波形，使其階梯上升或下降，即在0和最大值之間給出多個穩(wěn)定的中間狀態(tài)，定子磁場的旋轉過程中也就有了多個穩(wěn)定的中間狀態(tài)，對應于電機轉子旋轉的步數(shù)增多、步距角減小。采用細分驅動技術可以大大提高步進電機的步矩分辨率，減小轉矩波動，避免低頻共振及降低運行噪聲

步進電動機微步驅動電路基本結構框圖

第21頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五

步距角：控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。V：電機轉速（R/S）；P：脈沖頻率（Hz）；θe：電機固有步距角；

實用公式：轉速(r/s）=脈沖頻率/（電機每轉整步數(shù)*細分數(shù)）

m：細分數(shù)（整步為1，半步為2）電機固有步距角所用驅動器類型及工作狀態(tài)

電機運行時的真正步距角

0.9°/1.8°

驅動器工作在半步狀態(tài)0.9°0.9°/1.8°驅動器工作在5細分狀態(tài)0.36°0.9°/1.8°驅動器工作在10細分狀態(tài)

0.18°0.9°/1.8°驅動器工作在20細分狀態(tài)

0.09°0.9°/1.8°驅動器工作在40細分狀態(tài)

0.045°第22頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五電機繞組電流波形分析第23頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五步進電動機的閉環(huán)伺服控制

步進電動機矢量控制位置伺服系統(tǒng)框圖系統(tǒng)硬件結構原理圖第24頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五6、導通和截止時的電機繞組電流和電壓的關系當T導通時有：

當T截止時有：第25頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五電壓和電流與轉速、轉矩的關系步進電機一定時，供給驅動器的電壓值對電機性能影響大，電壓越高，步進電機能產(chǎn)生的力矩越大，越有利于需要高速應用的場合，但電機的發(fā)熱隨著電壓、電流的增加而加大，所以要注意電機的溫度不能超過最大限值。一個可供參考的經(jīng)驗值：步進電機驅動器的輸入電壓一般設定在步進電機額定電壓的3~25倍。建議：57機座電機采用直流24V-48V，86機座電機采用直流36-70V,110機座電機采用高于直流80V。對變壓器降壓，然后整流、濾波得到的直流電源，其濾波電容的容量可按以下工程經(jīng)驗公式選?。篊=（8000XI）/V（uF）

I為繞組電流（A）；V為直流電源電壓（V）第26頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五三、電機選型計算方法電機最大速度選擇電機定位精度的選擇電機力矩選擇第27頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五三、電機選型計算方法選擇電機一般應遵循以下步驟：電機最大速度選擇

步進電機最大速度一般在600～1200rpm。交流伺服電機額定速度一般在3000rpm，最大轉速為5000rpm。機械傳動系統(tǒng)要根據(jù)此參數(shù)設計。

第28頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五2.電機定位精度的選擇機械傳動比確定后，可根據(jù)控制系統(tǒng)的定位精度選擇步進電機的步距角及驅動器的細分等級。一般選電機的一個步距角對應于系統(tǒng)定位精度的1/2或更小。注意：當細分等級大于1/4后，步距角的精度不能保證。伺服電機編碼器的分辨率選擇：分辨率要比定位精度高一個數(shù)量級。3.電機力矩選擇

步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）轉動慣量計算物體的轉動慣量為：式中：dV為體積元，為物體密度，r為體積元與轉軸的距離。單位：kgm2第29頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五將負載質(zhì)量換算到電機輸出軸上轉動慣量，常見傳動機構與公式如下：第30頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五加速度計算控制系統(tǒng)要定位準確，物體運動必須有加減速過程，如右圖所示。已知加速時間、最大速度Vmax，可得電機的角加速度：

(rad/s2)電機力矩計算

力矩計算公式為：

式中：TL為系統(tǒng)外力折算到電機上的力矩；

為傳動系統(tǒng)的效率。第31頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五四、計算例題（直線運動）運動學計算動力學計算選擇同步帶直徑Φ和步進電機細分數(shù)m計算電機力矩，選擇電機型號第32頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五四、計算例題（直線運動）已知：直線平臺水平往復運動，最大行程L＝400mm，同步帶傳動；往復運動周期為T＝4s；重復定位誤差

0.05mm；平臺運動質(zhì)量M＝10kg，無外力。求：電機型號、同步帶輪直徑、最大細分數(shù)。

平臺結構簡圖運動學計算

平均速度為：設加速時間為0.1S；(步進電機一般取加速時間為：0.1~1秒)(伺服電機一般取加速時間為：0.05~0.5秒)

則加減速時間共為0.2S，且加減速過程的平均速度為最大速度的一半。

第33頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五故有：L＝0.2Vmax/2＋1.8Vmax

＝0.4m得：

Vmax

＝0.4/（0.2/2＋1.8）＝0.211m/s所以，加速度為：加速距離：勻速距離：減速距離和加速距離相同，

動力學計算

同步帶上需要拉力：

F＝Ma+f摩擦力：f＝

Mg設導軌摩擦系數(shù)＝0.1

則摩擦力：f＝0.1109.8＝9.8N慣性力:F1

＝Ma＝102.11＝21.1N故：同步帶上要有拉力F＝F1+f＝21.1＋9.8＝30.9N

第34頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五選擇同步帶直徑Φ和步進電機細分數(shù)m

設同步帶直徑Φ＝30mm周長為C＝3.14Φ＝3.1430＝94.2mm

核算定位精度：脈沖當量δ＝C/(200m)<0.05；

m>C/(2000.05)=94.2/(2000.05)=9.42核算最大轉速：nmax

＝Vmax/C＝0.211/(94.2/1000)＝2.24r/s第2級主動輪直徑仍?。害?＝30mm；第1級主動輪直徑?。害?＝25mm；減速比取：i＝1：3；顯然，細分數(shù)太大，最大轉速太低。但是，同步帶直徑也不可能小2倍，所以只能增加一級減速第35頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五則第1級從動輪直徑為?。害?＝75mm；電機最大轉速為：驅動器細分數(shù)：故，取4細分就很合適了。實際脈沖當量：

計算電機力矩，選擇電機型號

第2級主動輪上的力矩：T2＝FΦ3/2

第1級主動輪上，即電機軸上的力矩：T1＝T2i＝FΦ3/2i=0.155Nm由于沒有考慮同步帶的效率、導軌和滑塊裝配誤差造成的摩擦、同步帶輪的摩擦和轉動慣量等因素，同時，步進電機在高速時扭矩要大幅度下降；所以，取安全系數(shù)為3比較保險。故，電機力矩To＝0.1553＝0.465Nm第36頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五七、電機接線方法步進電機驅動器接線方法光電隔離原件作用：電氣隔離、抗干擾共陽極接法、共陰極接法和差分方式接法共陽極接法共陰極接法第37頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五差分方式典型接線方法第38頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五4、6和8線電機接線方法

四線電機和六線電機高速度模式：輸出電流設成等于或略小于電機額定電流值；六線電機高力矩模式：輸出電流設成電機額定電流的0.7倍；八線電機并聯(lián)接法：輸出電流應設成電機單極性接法電流的1.4倍；八線電機串聯(lián)接法：輸出電流應設成電機單極性接法電流的0.7倍

。第39頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五八、評判步進系統(tǒng)好壞的依據(jù)1）振動、噪音（運行平穩(wěn)性）；2）中、高速力矩；3）溫升（發(fā)熱情況）；4）保護功能；5）可靠性第40頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五九、使用過程中常見問題及原因分析

第41頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五十、步進驅動系統(tǒng)的常見問題

1、什么是步進電機？在何種情況下該使用步進電機？

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）。

您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達調(diào)速的目的。因此在需要準確定位或調(diào)速控制時均可考慮使用步進電機。2、步進電機分哪幾種？有什么區(qū)別？

步進電機分三種：永磁式（ＰＭ），反應式（ＶＲ）和混合式（ＨＢ）

永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；

反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家８０年代已被淘汰。

混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相四相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。3、什么是保持轉矩(HOLDINGTORQUE）？

保持轉矩（ＨＯＬＤＩＮＧＴＯＲＱＵＥ)是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。保持轉矩越大則電機帶負載能力越強。由于步進電機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，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機重要的參數(shù)之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進電機。

第42頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五4、步進電機的驅動方式有幾種？

一般來說，步進電機有恒壓，恒流驅動兩種，恒壓驅動已近淘汰，目前普遍使用恒流驅動。

5、步進電機精度為多少？是否累積？

一般步進電機的精度為步進角的3-5%。步進電機單步的偏差并不會影響到下一步的精度因此步進電機精度不累積。

6、步進電機的外表溫度允許達到多少？

步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降甚至于丟失。因此電機外表允許的最高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攝氏１３０度以上，因此步進電機外表溫度在攝氏８０－９０度完全正常。7、為什么步進電機的力矩會隨轉速升高而下降？

當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。8、為什么步進電機低速時可以正常運轉，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲?

步進電機有一個技術參數(shù)：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，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。我們建議空載啟動頻率選定為電機運轉一圈所需脈沖數(shù)的２倍。第43頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五9、如何克服兩相混合式步進電機在低速運轉時的振動和噪聲？

步進電機低速轉動時振動和噪聲大是其固有的缺點，一般可采用以下方案來克服：

A、如步進電機正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比提高步進電機運行速度。

Ｂ、采用帶有細分功能的驅動器，這是最常用的，最簡便的方法。因為細分型驅動器電機的相電流變流較半步型平緩。

Ｃ、換成步距角更小的步進電機，如三相或五相步進電機，或兩相細分型步進電機。

Ｄ、換成直流或交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高。

Ｅ、在電機軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產(chǎn)品，但機械結構改變較大。10、細分驅動器的細分數(shù)是否能代表精度？

步進電機的細分技術實質(zhì)上是一種電子阻尼技術（請參考有關文獻），其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉精度只是細分技術的一個附帶功能。比如對于步進角為1.8度的兩相混合式步進電機，如果細分驅動器的細分數(shù)設置為４，那么電機的運轉分辨率為每個脈沖0.45度，電機的精度能否達到或接近0.45度，還取決于細分驅動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅動器精度可能差別很大；細分數(shù)越大精度越難控制。11、四相驅動合式步進電機與驅動器的串聯(lián)接法和并聯(lián)接法有什么區(qū)別？

四相混合式步進電機一般由兩相驅動器來驅動，因此，連接時可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián)接法將四相電機接成兩相使用。串聯(lián)接法一般在電機轉速較的場合使用。此時需要的驅動器輸出電流為電機相電流的0.7倍，因而電機發(fā)熱小；并聯(lián)接法一般在電機轉速較高的場合使用（又稱高速接法），所需要的驅動器輸出電流為電機相電流的1.4倍，因而電機發(fā)熱較大。第44頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五12、如何確定步進電機驅動器直流供電電源？

Ａ、供電電源供電電壓的確定

混合式步進電機驅動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍，電源電壓通常根據(jù)電機的工作轉速和響應要求來選擇。如果電機工作轉速較高或響應要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅動器。如果電機工作轉速較低，則可以考慮電壓選取較低值。

Ｂ、供電電源輸出電流的確定

供電電源電流一般根據(jù)驅動器的輸出相電流Ｉ來確定。如果采用線性電源，電源電流一般可?。傻?.1-1.3倍；如果采用開關電源，電源電流一般可?。傻?.5-2.0倍。如果一個供電源同時給幾個驅動器供電，則應考慮供電電源的電流應適當加倍。13、混合式步進電機驅動器的使能信號Ｅna一般在什么情況下使用？

當使能信號Ｅna為低電平時，驅動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉子處于自由狀態(tài)（脫機狀態(tài)）。在有些自動化設備中，如果在驅動器不斷電的情況下要求可以用手動直接轉動電機軸，就可以將Ｅna置低，使電機脫機，進行手動操作或調(diào)節(jié)。手動完成后，再將Ｅna信號置高，以繼續(xù)自動控制。14、如何用簡單的方法調(diào)整兩相步進電機通電后的轉動方向？

只需將電機與驅動器接線的Ａ+和A-（或者B+和B-)對調(diào)即可。第45頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五十一、步進電動機與交流伺服電動機的性能比較控制精度不同低頻特性不同矩頻特性不同過載能力不同運行性能不同速度響應性能不同效率指標不同第46頁，共51頁，2023年，2月20日，星期五十一、步進電動機與交流伺服電動機的性能比較

控制精度不同兩相步進電機步距角為1.8°；德國百格拉公司生產(chǎn)的三相混合式步進電