步進電機知識

 

 

1.什么是步進電機?
步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 2.步進電機分哪幾種?
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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）?
保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩。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(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(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(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。

4.什么是DETENT TORQUE?
DETENT TORQUE 是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。
DETENT TORQUE 在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；
由于反應式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。

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%，且不累積。

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，從而導致力矩下降乃至于失步，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；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以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(zhuǎn)速的升高而下降?
當步進電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn),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(shù)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(zhuǎn)。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(zhuǎn)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(zhuǎn)速從低速升到高速）。

9.如何克服兩相混合式步進電機在低速運轉(zhuǎn)時的振動和噪聲?
步進電機低速轉(zhuǎn)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)，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區(qū)；
B.采用帶有細分功能的驅(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電機，如三相或五相步進電機；
D.換成交流伺服電機，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(jié)構(gòu)改變較大。

10.細分驅(qū)動器的細分數(shù)是否能代表精度?
步進電機的細分技術(shù)實質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)（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(zhuǎn)精度只是細分技術(shù)的一個附帶功能。比如對于步進角為1.8° 的兩相混合式步進電機，如果細分驅(qū)動器的細分數(shù)設置為4，那么電機的運轉(zhuǎn)分辨率為每個脈沖0.45°，電機的精度能否達到或接近0.45°，還取決于細分驅(qū)動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅(qū)動器精度可能差別很大；細分數(shù)越大精度越難控制。

11.四相混合式步進電機與驅(qū)動器的串聯(lián)接法和并聯(lián)接法有什么區(qū)別?
四相混合式步進電機一般由兩相驅(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)接法將四相電機接成兩相使用。串聯(lián)接法一般在電機轉(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(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相電流的1.4倍，因而電機發(fā)熱較大。

12.如何確定步進電機驅(qū)動器的直流供電電源?
A.電壓的確定
混合式步進電機驅(qū)動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍（比如IM483的供電
電壓為12～48VDC），電源電壓通常根據(jù)電機的工作轉(zhuǎn)速和響應要求來選擇。如果電機工作轉(zhuǎn)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(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I來確定。如果采用線性電源，電源電
流一般可取I 的1.1～1.3倍；如果采用開關電源，電源電流一般可取I 的1.5～2.0倍。
13.混合式步進電機驅(qū)動器的脫機信號FREE一般在什么情況下使用?
當脫機信號FREE為低電平時，驅(qū)動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉(zhuǎn)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(qū)動器不斷電的情況下要求直接轉(zhuǎn)動電機軸（手動方式），就可以將FREE信號置低，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)整兩相步進電機通電后的轉(zhuǎn)動方向?
只需將電機與驅(qū)動器接線的A+和A-（或者B+和B-）對調(diào)即可。關于驅(qū)動器的細分原理及一些相關說明（轉(zhuǎn)載）在國外，對于步進系統(tǒng)，主要采用二相混合式步進電機及相應的細分驅(qū)動器。 但在國內(nèi)，廣大用戶對“細分”還不是特別了解，有的只是認為，細分是為了提高精度，其實不然，細分主要是改善電機的運行性能，現(xiàn)說明如下：步進電機的細分控制是由驅(qū)動器精確控制步進電機的相電流來實現(xiàn)的，以二相電機為例，假如電機的額定相電流為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，電機每運行一步，其繞組內(nèi)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，必然會引起電機運行的振動和噪音。如果使用細分驅(qū)動器，在10細分的狀態(tài)下驅(qū)動該電機，電機每運行一微步，其繞組內(nèi)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的振動和噪音，因此，在性能上的優(yōu)點才是細分的真正優(yōu)點。由于細分驅(qū)動器要精確控制電機的相電流，所以對驅(qū)動器要有相當高的技術(shù)要求和工藝要求，成本亦會較高。注意，國內(nèi)有一些驅(qū)動器采用“平滑”來取代細分，有的亦稱為細分，但這不是真正的細分，望廣大用戶一
定要分清兩者的本質(zhì)不同：

15．“平滑”并不精確控制電機的相電流，只是把電流的變化率變緩一些，所以“平滑”并不產(chǎn)生微步，而細分的微步是可以用來精確定位的。

16．電機的相電流被平滑后，會引起電機力矩的下降，而細分控制不但不會引起電機力矩的下降，相反，力矩會有所增加。 17.兩相和五相的混合式步進電機的應用場合有何不同？ 問題解答： 一般來說，兩相電機步距角大，高速特性好,但是存在低速振動區(qū)。而五相電機步距角小，低速運行平穩(wěn)。所以，在對電機的 運轉(zhuǎn)精度要求較高 ，且主要在中低速段（一般低于600轉(zhuǎn)/分） 的場合應選用五相電機；反之，若追求電機的高速性能，對精度及平穩(wěn)性無太多要求的場合應選用成本較低的兩相電機。另外，五相電機的力矩通常在2NM以上，對小力矩的應用，一般采用兩相電機，而低速平穩(wěn)性的問題可以通過采用細分驅(qū)動器的 方式解決。 和步進電機相比，伺服電機有以下幾點優(yōu)勢：
1、實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進電機失步的問題；
2、高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達到2000～3000轉(zhuǎn)；
3、抗過載能力強，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負載，對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合特別適用；
4、低速運行平穩(wěn)，低速運行時不會產(chǎn)生類似于步進電機的步進運行現(xiàn)象。適用于有高速響應要求的場合；
5、電機加減速的動態(tài)相應時間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；6、發(fā)熱和噪音明顯降低。

　

附：步進電機動態(tài)指標及術(shù)語：

1、步距角精度：

     步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應在5%之內(nèi)，八拍運行時應在15%以內(nèi)。

2、失步：

     電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。

3、失調(diào)角：

     轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。

4、最大空載起動頻率：

     電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。

5、最大空載的運行頻率：

     電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。

6、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稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。如下圖所示：

其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。

     電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。

如下圖所示：

其中，曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。

要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機。

7、電機的共振點：

     步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應子式步進電機的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅(qū)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，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區(qū)較多。

8、電機正反轉(zhuǎn)控制：

     當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA或()時為正轉(zhuǎn)，通電時序為DA-CA-BC-AB或()時為反轉(zhuǎn)。