步进电机及驱动器技术交流

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1、主要内容主要内容一、步进电动机简介1. 步进电动机的起源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、步进电动机简介一、步进电动机简介1. 步进电动机的起源：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

2、作原理 以单极性电机为例来解释 工作原理4.4. 步进电动机的机座号：主要有35、39、42、57、86、110等 5. 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6.6. 步进电动机主要参数 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。 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。 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移。 定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩。 失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。 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。 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 。7.7. 步进电机的特点 一般步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积； 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； 步进电机的力矩会随转速的升高而下降（U=E+L(di/dt

4、)+I*R）矩频特性曲线 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10100RPM，伺服电机的起步速度一般在100300RPM。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。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

5、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； 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JTZfkr2109二、步进驱动器简介二、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

6、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111. 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 122. 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

7、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 14 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）；e：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） mPsrVe360)/(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、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 15m：细分数（整步为1，半步为2）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 166、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： 17EdtdiLi220EdtdiLRiU11当T截止时有：7. 电压和电流与转速、转矩的关系 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。 一个可供参考的经验值：建议

9、：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。18三、电机选型计算方法三、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6001200 rpm。交流伺服电机额定速度一般在3000 rpm，最大转速为5000rpm。机械传动系统要根据此参数设计。 202. 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

10、小。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：kgm2dVrJ2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： 加速

11、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： ttmax (rad / s2) 电机力矩计算 力矩计算公式为：/ )(LTJT23 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。步进电机选型原则n先选电机，后选驱动n电机选型原则：u参考法 u经验法u测量法n驱动器选型原则： 标准配置 高速配置 24驱动器42电机 34/44驱动器42电机 34/44驱动器57电机 68驱动器57电机 68驱动器86电机 110驱动器86电机 110驱动器110电机五、研控公司驱动器产品线介绍五、研控公司驱动器产品线介绍 2