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步进电机的介绍 北京四通电机技术有限责任公司深圳分公司 2001年7月 项目 n步进电机的概述 n步进电机的技术参数 n步进电机的选型 n步进电机的控制 n步进电机和伺服电机的比较 n步进电机的注意事项 n北京四通电机公司的简介 步进电机的概述 n简单地说，控制器发出的脉冲个数决定步进电机转动 的角度，脉冲频率决定步进电机的转速。 n定义：根据控制器输出的脉冲信号，驱动器规则地、 周期性改变电机的电流（即电机的励磁）状态，电机 就转动相应地一定角度。无刷式直流电动机，同步电 动机。 n使用步进电机必须配相应地驱动器（或称之为电源） ，不配驱动器是无法直接使用步进电机。 n步进电机适用于控制简单、低速、大力矩和精度高的 场合,控制成本低，和负载直接相连。 n步进电机分为分为反应式、永磁式和混合式，其中反 应式由于体积大、发热大和力矩小，永磁式的特点大 力矩，而混合式兼顾了反应式的精度高和永磁式的力 矩大，所以混合式步进电机是目前最为成功的电机技 术，而反应式已被淘汰。 步进电机的技术参数 n保持转矩：当电机上电且电机锁轴，使电机由锁轴 静止的状态变为运动所要求的最小外力。它标称的是 电机输出力矩的大小，它和电机输出的最大力矩成正 比。可以认为相当于普通电机的功率。 n步距角：一个脉冲对应的电机轴所转动的角度。 电机相数整步的步矩角半步的步矩角精度 21.8（1.5）0.9（0.75）小 大 31.2（1.5）0.6（0.75） 50.72（0.18） 0.36（0.09） 2PH MICROSTEPPING DRIVER SH- 20806 A+ A- B+ B- DC+ DC- 电源指示 S1 S2 S3 MS1 MS2 MS3 NC HC TEST MODE 脉冲 方向 脱机 共阳 北京四通电机技术有限公司 0 1 脉冲 方向 脱机 报警 电流/电压 步进电机控制系统示意图 控制器驱动器步进电机 步进电机的技术参数 n电流：静态相电流，单位安培，一定程度上反映了 电机的力矩。 n空载启动频率：电机空载，在一定的驱动器下， 电机可以直接启动而电机不失步的最大脉冲频率。一 般带上负载后，电机可以直接启动的频率（即直接起 跳频率）是空载启动频率的1/3或1/4左右。 n机座号：机座号指电机的法兰盘安装尺寸，它反应 的是电机力矩等级。 目前标准的机座号是42/（56）57/86/90/110/130 步进电机的技术参数 n矩频曲线：指电机力矩和脉冲频率之间的关系。 电机的力矩随电机转速（脉冲频率）的升高而下降。 电机力矩 电机转速 0 步进电机的选型 n负载的估算-首先，步进电机的带载能力是随电 机的转速升高而下降（即电机的输出力矩在下降）， 见力矩-转速图。估算负载的目的是估算出步进电机在 某个转速下所能输出的力矩，而该转速是系统要求的 最高转速，力矩是在该速度下还可以带动负载的力矩 。如果原来系统使用普通交流电机，可以根据交流电 机的功率进行估算。具体如下：10P= n M ，其中P 指交流电机的功率，单位是瓦；n 指交流电机的转速 ，即要求步进电机的转速，单位是转/分钟；M指交流 电机在该转速下的输出力矩。而步进电机的力矩必须 是23倍的计算力矩，以便提供相应的力矩余量。如果 系统是一个新的系统，则要求客户根据负载的重量、 摩擦和运行速度等等进行估算。 0 转速 力矩 步进电机的选型 n精度-根据系统要求的线性精度， 通过计算得出电机的步矩角，即电机的精度。例如， 要求精度达到0.5mm，步进电机轴上安装的是直径20m m的同步带轮，那么同步带轮的周长是3.142063mm， 630.5=126，即走完一圈最少要求把同步带轮平均等分 为126份，而采用2相步进电机可以将同步带轮平均等分 为200份，每个脉冲走1.度，精度是0.3mm，所以选用2 相步进电机（当然选择5相电机也可以，但由于2相电 机可以满足要求，因此无需选择精度更高的5相电机）。 0.72度1.8度 5相电机2相电机 1个脉冲 步进电机的选型 n速度-由于步进电机的特点是低速、大力矩和高 精度，所以与普通交流电机的带减速器的驱动方式相 比，步进电机一般与负载采用直接连接方式，不加减 速器。其中对于2相电机而言，低速指转速范围是指 300600转/分钟；对于5相电机而言，低速指转速范 围是指60600转/分钟。 n动态特性-指电机对速度变化时的响应能力。一 般电机由起跳速度到运行速度时间大约是几百毫秒。 步进电机的控制 n可编程控制器PLC-该方式适合于电气工程师 ，可应用于要求电机的运动轨迹简单，控制设备多， 运行环境苛刻的场合。采用梯形图编程和可以输出脉 冲的晶体管型PLC。 n运动控制卡+计算机-该方式适合于计算机工 程师，可应用于要求电机的运动轨迹复杂，控制设备 少，运行环境良好的场合。一般板卡都附有相应的函 数库或动态连接库，用户可以采用VB和VC计算机语言 编程。 n单片机-该方式适合于电子工程师，可应用于要求 电机的运动轨迹中等，控制设备少，运行环境良好的 场合。电子工程师需自己搭接外围电路，开发周期长 。系统抗干扰能力差。 步进电机的控制 n具体编程（以松下公司FP0系列PLC为例 ）-首先根据设备的具体要求，计算出步进电机的运行速度和行程。 其次，根据所选择的步进电机精度和负载，进而计算出步进电机的运行频率 和运行的步数。最后，进行具体的编程，一般，步进电机以某个速度（起跳 速度）直接运行，然后经过短时间（加速时间一般是毫秒级，大约100ms左 右）的加速，将速度逐步线性加到运行速度，接着按照运行速度运行，在停 止时，同样需要经过短时间的减速，将速度逐步线性减到起跳速度，最后在 起跳速度时立即停止。步进电机所走的步数是下图红线所包围的面积。如果 步进电机的运行频率小于起跳频率，则无须做加减速曲线，可直接以起跳频 率启动、运行和停止。如果在加减速时间内电机无法运行即失步，则延长加 减速时间或选择力矩更大的步进电机。 脉冲频率（Hz ） 运行频率 起跳频率 0时间（s ） 加速时间减速时间 步进电机回原点 右限位左限位原点 右限位左限位原点 右限位左限位原点 图1：每次上电后向原点运行 图2：过原点后减速停止 图3：反向运行碰原点后立即停止 编程例程 编程注意事项 n如果步进电机的运行速度（频率）超过起跳速度（频 率），禁止以运行速度（频率）直接停止，否则有可 能使步进电机失步。 n步进电机在由起跳速度（频率）加速到运行速度（频 率）的过程中，最好采用线性加速曲线，或采用梯形 加速曲线，而且尽量采用阶梯较小的加速曲线。 n步进电机在由起跳速度（频率）加速到运行速度（频 率）的过程中，线性加速曲线如果太陡峭，则有可能 加速失败，导致电机失步，如果线性加速曲线太平缓 ，将影响电机的快速响应型，而且有可能产生电机“唱 歌”的现象。 n如果要求步进电机频繁的正反转，在正转和反转之间 切换时，必须给予相应的时间延时。 编程注意事项 n如果步进电机的运行速度（频率）超过起跳速度（频 率），禁止以运行速度（频率）直接停止，否则会使 步进电机失步。 频率 时间 起跳频率 运行频率 编程注意事项 n步进电机在由起跳速度（频率）加速到运行速度（频 率）的过程中，最好采用线性加速曲线，或采用梯形 加速曲线，而且尽量采用阶梯较小的加速曲线 频率 时间 起跳频率 运行频率 启动频率 步进电机和伺服