步进电机及驱动器知识-雷赛科技

1、、步进电机和驱动器知识讲座，单位：雷比赛机电技术开发有限公司部门：产品部，主要内容为一、步进电机介绍二、驱动器介绍三、电机选定计算方法四、计算例题五、雷比赛公司步进驱动器命名方法六、雷比赛公司驱动器生产线介绍七、电机布线八评价步进系统好坏的依据九、使用中常见问题和原因分析十、步进驱动系统常见问题(FAQ )十一、步进电机和交流伺服电机的性能比较十二、驱动器产品测试比较，一、二步进电机介绍步进电机的历史定义步进电机的工作原理步进电机的床号步进电机结构步进电机的主要参数步进电机的特征、一、步进电机介绍、 步进电机的历史：德国百格拉在1973年发明了五相混合步进电机及其驱动器，1993年又推出了性能

2、更好的三相混合步进电机。 我国到80年代为止，反应式步进电机占主导地位，混合式步进电机在80年代后期开始发展。 步进电动机的定义：是专门用于速度和位置的正确控制的特殊电动机，旋转以一定的角度(称为步进角)一步一步地运动，所以称为步进电动机。 3 .步进电机的工作原理以单极性电机为例说明工作原理，4 .步进电机的支架编号：主要是35、39、42、57、86、110等5 .步进电机结构：转子(转子铁心、永久磁铁、旋转轴、滚珠轴承)、固定最典型的两相混合式步进电机定子有8个大齿，40个小齿，转子有50个小齿三相电机定子有9个大齿，45个小齿，转子有50个小齿。电机结构图、旋转轴平行方向的剖视图、6

3、.步进电机的主要参数步进电机的相数：指电机内部的线圈组数，目前常用的是两相、三相、五相步进电机。 心率：用m表示完成一个磁场的周期性变化所需的脉冲数或导电状态，或指电机旋转一节角所需的脉冲数。 保持扭矩：步进电机通电但不旋转时，定子锁定转子的扭矩。 步进角：电机转子对应脉冲信号旋转的角位移。 定位扭矩：电机未通电状态下电机转子自身的锁定扭矩。 失步：电机运行时运行的步数与理论步数不相等。 失调角：转子的齿轴线偏离定子的齿轴线的角度时，电动机的运转中存在失调角，失调角引起的误差不能用细分驱动来解决。 运行扭矩频率特性：电机在某个测试条件下测量运行中输出扭矩和频率关系的曲线。 7 .步进电动机的特

4、征一般的步进电动机的精度是步进角的3-5%，在没有累积的步进电动机的外观上所允许的最高温度是依赖于不同的电动机磁性材料的退磁点的步进电动机的扭矩随着旋转速度的上升而降低(u=El (dl 转矩频率特性曲线、无负载启动频率：步进电机在无负载状态下可以正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率超过该值，电机就无法正常启动，有可能发生失步或锁定。 步进电动机的起动速度一般为10100RPM，伺服电动机的起动速度一般为100300RPM。 根据电动机的大小和负荷的状况，大的电动机一般对应低的起动速度。 低频振动特性：步进电机在连续的步进状态下一边移动一边反复运转。 该步进状态的移动产生第一步响应。步进响应图，电

5、动机驱动电压越高，电动机电流越大，负载越轻，电动机体积越小，谐振部越向上移动，反之亦然。步进电动机低速旋转时的振动和噪音大是其固有的缺点， 如果采用作为通过改变减速比等机械传动来避免谐振区域的二相混合式步进电动机的低速运转时的振动和噪音的方法的、具有细分化功能的驱动，切换为俯仰角小的步进电动机，将电感大的电动机更换为交流伺服电动机，则对电动机轴附加了磁阻尼器中高频稳定性电动机的固有频率推定值：式中： Zr表示转子齿数Tk，电动机负载扭矩j表示转子旋转贯通量，二， 步进驱动器介绍恒流驱动单极性驱动微步进电动机的闭环伺服控制on和off时的电动机线圈电流和电压的关系电压和电流和转速扭矩的关系，二、

6、步进驱动器介绍，步进驱动器：旋转步进电动机由于把来自控制器的脉冲信号变换为步进电机的角位移，与电机的转速和脉冲频率成比例，控制脉冲频率可以精密调速，控制脉冲数可以精密定位。 电机控制原理图、恒流驱动恒流控制的基本思想通过控制主电路中的MOSFET的导通时间，即调节MOSFET触发信号的脉冲宽度，实现控制输出驱动电压来控制电机线圈电流的目的。h桥恒频斩波恒相电流驱动电路的原理框图、电流PWM细分驱动电路的示意图、单极性驱动、单极性驱动原理图、双极性驱动原理图、微步驱动微步驱动技术是电流波形控制技术。 其基本思想是控制各相的绕组电流的波形，使阶梯上升或下降，即，在0和最大值之间提供多个稳定的中间状

7、态，从而在定子磁场的旋转中也存在多个稳定的中间状态，与电动机转子的旋转对应的步进数增加，步进角减少。 通过采用细分驱动技术，可以大幅度提高步进电动机的步进分辨率，降低扭矩变动，避免低频谐振，降低运行噪声，步进电动机的微步进驱动电路的基本构成框图，步进角：控制系统发送步进脉冲信号v :电动机转速(R/S) p :脉冲频率(Hz) e :电动机固有步进角，实用式：转速(r/s)=脉冲频率/(电动机每转一周的整步数*细分数)，m :细分数(整步为1，半步为2 )、电动机绕组电流波形分析、步进电动机步进电机矢量控制位置伺服系统框图、系统硬件结构图、6、接通和断开时的电机线圈电流与电压的关系、有t接通时

8、：有t断开时：电压、电流和转速扭矩的关系，在步进电机一定的情况下，向驱动器提供的电压值为电机电压越高，步进电机能产生的扭矩就越大，在需要高速应用的情况下是有利的，但电机的发热随着电压电流的增加而变大，所以要注意不要使电机的温度超过最大限制值。 参考经验值：步进电机驱动器的输入电压一般设定为步进电机驱动器的额定电压的325倍。 建议： 57台电机高于直流24V-48V，86台电机高于直流36-70V，110台电机高于直流80V。 对变压器进行降压、整流、平滑而得到的直流电源，平滑电容器的容量可以通过以下的工序经验式来选择： C=(8000 X I)/V(uF) I是绕组电流(a )； v是直流电

9、源电压(v )、三、电机选定计算方法电机最大速度选择电机定位精度的选择选择电机扭矩选择、三、电机选定计算方法、电机选择时，电机最大速度选择步进电机最大速度一般按照6001200 rpm的顺序进行。 交流伺服电机的额定速度一般为3000 rpm，最大转速为5000rpm。 机械传动系统必须根据这一参数来设计。 2 .电机的定位精度的选择一旦确定了机械的齿数比，就可以根据控制系统的定位精度选择步进电机的步进角和驱动器的细分等级。一般选定的电机的1步角相当于系统定位精度的1/2以下。 注意：细分级别在1/4以上时，不能保证步进角的精度。 伺服电机编码器的分辨率选择：分辨率比定位精度高一位。 3 .马

10、达扭矩步进马达的动态扭矩的选择难以立即确定，并且通常确定马达的静态扭矩。 静扭矩的选定根据是电机工作的负载，负载分为惯性负载和摩擦负载。 直接起动时(一般为低速)考虑双方的负荷，加速起动时主要考虑惯性负荷，定速运行时考虑摩擦负荷。 一般来说，静扭矩最好在摩擦负荷的23倍以内。 如果选择了静扭矩，确定电机的床和长度的(几何尺寸)惯性力矩，其中dV是体积元，物体密度，r是体积元和旋转轴的距离来计算。 单位： kgm2，将负载质量换算成电机输出轴上的惯性力矩，一般的传动机构和公式如下：加速度计算、控制系统需要正确定位，物体运动需要加减速过程。 已知加速时间、最大速度Vmax，电动机的角加速度：(ra

11、d/s2 )、电动机扭矩计算、扭矩计算式：式中： TL是从系统外力换算成电动机的扭矩传动系统的效率。 四、例题(直线运动)运动学计算动力学计算选择同步带直径和步进电机细分数m计算电机扭矩，选择电机模型，四、计算例题(直线运动)，直线平台水平往复运动，最大行程L=400 mm，同步带传动； 往复运动周期为T=4s，重复定位误差为 0.05 mm； 平台运动质量M=10 kg，没有外力。 求：电机形式，同步带轮直径，最大细分数。 平台结构的概略图、运动学计算的平均速度为，加速时间为0.1 S (步进电机的一般取加速时间为0.11秒) (伺服电机的一般取加速时间为0.050.5秒)，加减速时间合计为

12、0.2 S，加减速过程的平均速度为最大速度的一半。 因此，由于L=0.2 Vmax/2 1.8 Vmax=0.4 m增益： Vmax=0.4/(0.2/2 1.8 )=0.211 m/s，所以加速度为、加速距离：等速距离：减速距离和加速距离相同， 同步带需要张力： F=M a f摩擦力： f=mg引导件摩擦系数=0.1时摩擦力： f=0.110.8=9.8 n惯性力： F1=M a=10 2.11=21.1 N，因此， 同步带需要张力F=F1 f=21.1 9.8=30.9 N，如果将选择同步带直径和步进电动机细分数m的同步带直径=30 mm的周长设为c=3.14=3.1430=94.2mm，

13、则定位精度：脉冲当量 以(2000.05)=94.2/(2000.05)=9.42计算最大转速： nmax=VMAX/c=0.211/(94.2/1000 )=2.24 r/s，第二级驱动轮直径3=30mm； 第1级主动轮的直径为1=25 mm的减速比： i=1 :3； 显然细分数太大，最大转速太低。 但是，同步带的直径也不是2倍小，所以只要将减速增加1级，第一级从动轮的直径就为2=75 mm； 电机的最大转速为驱动器的细分数：因此，细分4个就合适了。 实际脉冲当量：计算电机的扭矩，选择电机形式，选择第二级驱动轮上的扭矩： T2=F3/2第一级驱动轮，即电机轴上的扭矩： t1=t2i=f3/2

14、i=0.155nm同步带的效率，导轨和导轨由于没有考虑同步带轮的摩擦和惯性力矩等，同时，步进电机高速且扭矩大幅下降，因此，将安全系数设为3来比较保险。 因此，如果选择电动机扭矩To=0.155 3=0.465 Nm、57HS09，则该静止扭矩为0.9 Nm。与57HS09类似的电机转矩频率特性图如下： 2细分化(半步):nmax=403 r/min=2687pps时，T=50 N cm=0.5 N m，5、雷比赛公司步进驱动器的命名方法，6、雷比赛公司驱动器产品线介绍电机布线方法步进电机驱动器的布线方法光电分离原始的作用：电分离、耐噪声共阳极接合法、共阴极接合法和差动方式接合法、共阳极接合法、

15、差动方式的典型布线方法、4、6和8线电机的布线方法， 4线电动机和6线电动机的高速模式：输出电流设定在电动机的额定电流值以下的6线电动机高扭矩模式：输出电流设定为电动机额定电流的0.7倍八线电动机并联连接法：输出电流为电动机的单极连接法电流的1.4倍八线电动机串联连接法：输出电流为电动机单极连接法的电流八、评价步进系统好坏的依据有：1)振动、噪音(运行稳定性)2)中高速扭矩3 )温度上升(发热状况)4)保护功能5 )可靠性，九、使用中的常见问题和原因分析，十、步进驱动系统常见问题，一、步进电机步进电机在什么情况下使用？ 步进电机是把电脉冲转换成角位移的致动器。 一般而言，当步进驱动器接收到脉冲

16、信号时，驱动步进电机，使其在设定的方向旋转一定的角度(和步进角)。 通过控制脉冲数，可以控制角位移量，实现正确的定位。同时，通过控制脉冲频率，可以控制电机的转速和加速度，实现调速的目的。 因此，在需要正确的定位和调速控制时，可以考虑使用步进电机。 2、步进电机有几种？有什么区别？步进电机，永磁式(PM )、反应式(VR )和混合式(HB )的永磁式步进一般为两相，扭矩和体积小，步进角一般为7.5度或15度的反应式步进欧美等发达国家在80年代被淘汰。 混合式步骤是混合永久磁铁式和反应式的优点。 分为两相四相和五相。 两相步进角一般为1.8度，五相步进角一般为0.72度。 这个步进电机的应用是最广

17、泛的。 3、什么是保持扭矩？ “保持扭矩”(HOLDING TORQUE )是指步进电机通电但不旋转时，定子锁定转子的扭矩。 步进电机最重要的参数之一，通常步进电机低速时的扭矩接近保持扭矩。 保持扭矩越大，电机的负载能力越强。 由于步进电机的输出扭矩随着速度的增加而衰减，输出功率也随着速度的增加而变化，所以保持扭矩成为步进电机的重要参数之一。 例如，在被称为2N.m的步进电动机的情况下，除非特别说明，否则是指保持扭矩为2N.m的步进电动机。 4、步进电机的驱动方式有几种？ 一般来说，步进电机有定电压、定电流驱动2种，定电压驱动已经被淘汰，现在一般使用定电流驱动。 5 .步进电机的精度是多少？ 积累吗？ 一般步进电机的精度是步进角的3-5%。 由于步进电动机步的偏差不影响下一步的精度，所以不累计步进电动机的精度。 6 .步进电机的外观温度允许有多少？ 如果步进电动机的温度过高，首先电动机的磁性材料会