步进电机及驱动器原理知识【知识讲解】

全方位讲解步进电机步进驱动器原理单位：深圳市威山自动化2012年3月主要内容步进电动机简介驱动器简介电机选型计算方法计算例题电机接线评判步进系统好坏的依据使用过程中常见问题及原因分析步进驱动系统的常见问题（FAQ)步进电动机与交流伺服电动机的性能比较驱动器产品测试对比一、步进电动机简介1.步进电动机的历史2.步进电动机的定义3.步进电动机的工作原理4.步进电动机的机座号5.步进电动机构造6.步进电动机主要参数7.步进电动机的特点一、步进电动机简介1.步进电动机的历史：德国百格拉公司于1973年发明了五相混合式步进电机及其驱动器；1993年又推出了性能更加优越的三相混合式步进电机。我国在80年代以前，一直是反应式步进电机占统治地位，混合式步进电机是80年代后期才开始发展。2.步进电动机的定义：是一种专门用于速度和位置精确控制的特种电机，它旋转是以固定的角度（称为步距角）一步一步运行的，故称步进电机。3.步进电动机的工作原理以单极性电机为例来解释工作原理4.步进电动机的机座号：主要有35、39、42、57、86、110等5.步进电动机构造：由转子（转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠轴承），定子（绕组、定子铁芯），前后端盖等组成。最典型两相混合式步进电机的定子有8个大齿，40个小齿，转子有50个小齿；三相电机的定子有9个大齿，45个小齿，转子有50个小齿。电动机构造图转轴成平行方向的断面图6.步进电动机主要参数①步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有两相、三相、五相步进电机。②拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，用m表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。③保持转矩：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。④步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移。⑤定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩。⑥失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。⑦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。⑧运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线。7.步进电机的特点①一般步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积；②步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点；③步进电机的力矩会随转速的升高而下降（U=E+L(di/dt)+I*R）矩频特性曲线④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。步进电机的起步速度一般在10~100RPM，伺服电机的起步速度一般在100~300RPM。根据电机大小和负载情况而定，大电机一般对应较低的起步速度。⑤低频振动特性：步进电动机以连续的步距状态边移动边重复运转。其步距状态的移动会产生1步距响应。1步距响应图电机驱动电压越高，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。步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声方法：a.通过改变减速比等机械传动避开共振区；b.采用带有细分功能的驱动器；c.换成步距角更小的步进电机；d.选用电感较大的电机e.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本高；f.采用小电流、低电压来驱动。g.在电机轴上加磁性阻尼器；⑥中高频稳定性电机的固有频率估算值：式中：Zr为转子齿数；Tk为电机负载转矩；J为转子转动贯量JTZfkr210二、步进驱动器简介1.恒流驱动2.单极性驱动3.双极性驱动4.微步驱动5.步进电动机的闭环伺服控制6.导通和截止时的电机绕组电流和电压的关系7.电压和电流与转速、转矩的关系二、步进驱动器简介步进驱动器：是一种能使步进电机运转的功率放大器，能把控制器发来的脉冲信号转化为步进电机的角位移，电机的转速与脉冲频率成正比，所以控制脉冲频率可以精确调速，控制脉冲数就可以精确定位。电机控制原理图1.恒流驱动恒流控制的基本思想是通过控制主电路中MOSFET的导通时间，即调节MOSFET触发信号的脉冲宽度，来达到控制输出驱动电压进而控制电机绕组电流的目的。H桥恒频斩波恒相流驱动电路原理框图电流PWM细分驱动电路示意图2.单极性驱动单极性驱动原理图3.双极性驱动双极性驱动原理图4.微步驱动微步驱动技术是一种电流波形控制技术。其基本思想是控制每相绕组电流的波形，使其阶梯上升或下降，即在0和最大值之间给出多个稳定的中间状态，定子磁场的旋转过程中也就有了多个稳定的中间状态，对应于电机转子旋转的步数增多、步距角减小。采用细分驱动技术可以大大提高步进电机的步矩分辨率，减小转矩波动，避免低频共振及降低运行噪声步进电动机微步驱动电路基本结构框图步距角：控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。V：电机转速（R/S）；P：脉冲频率（Hz）；θe：电机固有步距角；实用公式：转速(r/s）=脉冲频率/（电机每转整步数*细分数）mPsrVe360)/(m：细分数（整步为1，半步为2）电机固有步距角所用驱动器类型及工作状态电机运行时的真正步距角0.9°/1.8°驱动器工作在半步状态0.9°0.9°/1.8°驱动器工作在5细分状态0.36°0.9°/1.8°驱动器工作在10细分状态0.18°0.9°/1.8°驱动器工作在20细分状态0.09°0.9°/1.8°驱动器工作在40细分状态0.045°电机绕组电流波形分析5.步进电动机的闭环伺服控制步进电动机矢量控制位置伺服系统框图系统硬件结构原理图6、导通和截止时的电机绕组电流和电压的关系当T导通时有：EdtdiLRiU11当T截止时有：EdtdiLi2207.电压和电流与转速、转矩的关系①步进电机一定时，供给驱动器的电压值对电机性能影响大，电压越高，步进电机能产生的力矩越大，越有利于需要高速应用的场合，但电机的发热随着电压、电流的增加而加大，所以要注意电机的温度不能超过最大限值。②一个可供参考的经验值：步进电机驱动器的输入电压一般设定在步进电机额定电压的3~25倍。建议：57机座电机采用直流24V-48V，86机座电机采用直流36-70V,110机座电机采用高于直流80V。③对变压器降压，然后整流、滤波得到的直流电源，其滤波电容的容量可按以下工程经验公式选取：C=（8000XI）/V（uF）I为绕组电流（A）；V为直流电源电压（V）三、电机选型计算方法1.电机最大速度选择2.电机定位精度的选择3.电机力矩选择三、电机选型计算方法选择电机一般应遵循以下步骤：1.电机最大速度选择步进电机最大速度一般在600～1200rpm。交流伺服电机额定速度一般在3000rpm，最大转速为5000rpm。机械传动系统要根据此参数设计。2.电机定位精度的选择机械传动比确定后，可根据控制系统的定位精度选择步进电机的步距角及驱动器的细分等级。一般选电机的一个步距角对应于系统定位精度的1/2或更小。注意：当细分等级大于1/4后，步距角的精度不能保证。伺服电机编码器的分辨率选择：分辨率要比定位精度高一个数量级。3.电机力矩选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）•转动惯量计算物体的转动惯量为：式中：dV为体积元，为物体密度，r为体积元与转轴的距离。单位：kgm2dVrJ2将负载质量换算到电机输出轴上转动惯量，常见传动机构与公式如下：②加速度计算控制系统要定位准确，物体运动必须有加减速过程，如右图所示。已知加速时间、最大速度Vmax，可得电机的角加速度：ttmax(rad/s2)③电机力矩计算力矩计算公式为：/)(LTJT式中：TL为系统外力折算到电机上的力矩；为传动系统的效率。四、计算例题（直线运动）1.运动学计算2.动力学计算3.选择同步带直径Φ和步进电机细分数m4.计算电机力矩，选择电机型号四、计算例题（直线运动）已知：直线平台水平往复运动，最大行程L＝400mm，同步带传动；往复运动周期为T＝4s；重复定位误差0.05mm；平台运动质量M＝10kg，无外力。求：电机型号、同步带轮直径、最大细分数。平台结构简图1.运动学计算平均速度为：设加速时间为0.1S；(步进电机一般取加速时间为：0.1~1秒)(伺服电机一般取加速时间为：0.05~0.5秒)则加减速时间共为0.2S，且加减速过程的平均速度为最大速度的一半。smV/2.02/4.0故有：L＝0.2Vmax/2＋1.8Vmax＝0.4m得：Vmax＝0.4/（0.2/2＋1.8）＝0.211m/s所以，加速度为：2m/s11.21.00211.0tVa加速距离：匀速距离：减速距离和加速距离相同，m0106.01.011.2212122001atVSSm380.08.1211.0max2tVSm0106.013SSm401.0321SSSS2.动力学计算同步带上需要拉力：F＝Ma+f摩擦力：f＝Mg设导轨摩擦系数＝0.1则摩擦力：f＝0.1109.8＝9.8N惯性力:F1＝Ma＝102.11＝21.1N故：同步带上要有拉力F＝F1+f＝21.1＋9.8＝30.9N3.选择同步带直径Φ和步进电机细分数m设同步带直径Φ＝30mm周长为C＝3.14Φ＝3.1430＝94.2mm核算定位精度：脉冲当量δ＝C/(200m)0.05；mC/(2000.05)=94.2/(2000.05)=9.42核算最大转速：nmax＝Vmax/C＝0.211/(94.2/1000)＝2.24r/s第2级主动轮直径仍取：Φ3＝30mm；第1级主动轮直径取：Φ1＝25mm；减速比取：i＝1：3；显然，细分数太大，最大转速太低。但是，同步带直径也不可能小2倍，所以只能增加一级减速则第1级从动轮直径为取：Φ2＝75mm；电机最大转速为：驱动器细分数：故，取4细分就很合适了。实际脉冲当量：4.计算电机力矩，选择电机型号第2级主动轮上的力矩：T2＝FΦ3/2第1级主动轮上，即电机轴上的力矩：T1＝T2i＝FΦ3/2i=0.155Nm由于没有考虑同步带的效率、导轨和滑块装配误差造成的摩擦、同步带轮的摩擦和转动惯量等因素，同时，步进电机在高速时扭矩要大幅度下降；所以，取安全系数为3比较保险。故，电机力矩To＝0.1553＝0.465Nm)/(72.6/3maxmaxsrCVn14.3)/05.0200/(iCmmmimC04.0)/200/(七、电机接线方法1.步进电机驱动器接线方法①光电隔离原件作用：电气隔离、抗干扰②共阳极接法、共阴极接法和差分方式接法共阳极接法共阴极接法差分方式典型接线方法2.4、6和8线电机接线方法a)四线电机和六线电机高速度模式：输出电流设成等于或略小于电机额定电流值；b)六线电机高力矩模式：输出电流设成电机额定电流的0.7倍；c)八线电机并联接法：输出电流应设成电机单极性接法电流的1.4倍；d)八线电机串联接法：输出电流应设成电机单极性接法电流的0.7倍。八、评判步进系统好坏的依据1）振动、噪音（运行平稳性）；2）中、高速力矩；3）温升（发热情况）；4）保护功能；5）可靠性九、使用过程中常见问题及原因分析十、步进驱动系统的常见问题1、什么是步进电机？在何种情况下该使用步进电机？步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达调速的目的。因此在需要准确定位