步进电机步进驱动器原理详细讲解
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
步进电动机的工作原理
步进电动机的机座号
步进电动机构造
步进电动机主要参数
步进电动机的特点
一、步进电动机简介
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。
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。
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。
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.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)+I*R）
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。
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。
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；
(8)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
二、步进驱动器简介
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
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：
电机最大速度选择
步进电机最大速度一般在600 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。
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
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：
(1)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，如下图所示。
已知加速时间 、最大速度Vmax，可得电机的角加速度：
(1)电机力矩计算
力矩计算公式为：
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m
4.计算电机力矩，选择电机型号
四、计算例题（直线运动）
七、电机接线方法
1.步进电机驱动器接线方法
(2)光电隔离原件作用：电气隔离、抗干扰
(3)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
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