1、步进电机,一、步进电机常用术语二、步进电机的分类三、工作原理四、步进电机的驱动电路、控制方式及接线五、 步进电机的主要特性：六、步进电机常见问题七、步进电机常见故障及分析：八、步进电机的选择,主要内容,1、步进电机的静态指标术语,产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示 完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.,一、步进电机常用术语,相数：,拍数：,电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及
2、机械误差造成的）,步距角：,定位转矩：,对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度/（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例： 四拍运行时步距角为： =360度/（50*4）=1.8度（俗称整步） 八拍运行时步距角： =360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）,电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。,静转矩：,2、步进电机动态指标及术语：,步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的
3、误差。用百分比表示： 误差/步距角*100%。 不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。,步距角精度：,失步：,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。 电机电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。,失调角：,最大空载起动频率：,电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 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称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。,最
4、大空载的运行频率：,运行矩频特性：,步进电机均有固定的共振区域 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。 为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。 当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或()时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB或()时为反转。,电机的共振点：,电机正反转控制：,其它特性还有惯频特性、起动频率特性等 电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。 其中，曲线3电流最大、或电
5、压最高;曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。 要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。,二、步进电机的分类：,按转矩产生的原理可分为: 1.反应式步进电机; 2.永磁式步进电机; 3.混合式步进电机；从电流的极性上可分为: 1.单极性步进电机; 2.双极性步进电机,从控制绕组数量上可分为: 1.二相步进电机; 2.三相步进电机; 3.四相步进电机; 4.五相步进电机; 5.六相步进电机； 从运动的型式上可分为： 1.旋转步进电机。 2.直线步进电机。 3.平面步进电机。,步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置。 具有较好的定
6、位精度， 无漂移和无积累定位误差的优点， 能跟踪一定频率范围的脉冲列， 可作同步电动机使用，广泛地应用于各种小型自动化设备及仪器。,三、工作原理,1、永磁步进电机的结构原理（励磁式）,永磁步进电机的结构原理,2、反应式步进电机工作原理,(a) (b) 反应式步进电机结构原理图,下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。,三相反应式步进电动机的原理结构图如下：,A,定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。转子有四个齿。,定子,转子,1)三相单三拍,A相绕组通电，B、C相不通电。由于在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，转子必
7、然转到左图所示位置：1、3齿与A、A极对齐。,同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4齿和B、B 磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30角，1、3齿和C、C磁极轴线对齐。,这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。,按AB C A 的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30(步距角)，每个通电循环周期(3拍)转过90(一个齿距角)。,2) 三相六拍,按AAB B BC C CA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。,A相通电，转子1、3齿与A、A 对齐。,A、B相同时通电，A、
8、A 磁极拉住1、3齿，B、B 磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。,B 相通电，转子2、4齿与B、B 对齐,又转过15。,B、C相同时通电，C 、C 磁极拉住1、3齿，B、B 磁极拉住2、4齿，转子再转过15。,三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AAB B BC C CA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90 (齿距角)。,与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。,3. 三相双三拍,按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。,与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通
9、电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30 (步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。,从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：,实用步进电机的步距角多为3和1.5 。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的，,相数m、转子的齿数z、通电方式系数k=拍数/相数,3、控制方式： 步进电机的控制方式一般可分为开环控制和反馈补偿闭环控制,见下图a和下图b.,步进电机控制方式,方向,脉冲,步进电机驱动器,步进电机,工作台,(a) 开环控制,比较、补偿脉冲,脉冲混合器,步进电机驱动器,步进电机,指令,工作台,位置测量,(b) 反馈补偿闭环控制,4、步进电机的接线图,华中
10、数控,百格拉公司步进电机WD3-007的面板接线,控制信号说明：PULSE：脉冲信号输入端，每一个脉冲的上升沿使 电动机转动一步。DIR：方向信号输入端，如“DIR”为低电平，电机 按顺时针方向旋转； “DIR”为高电平电机按 逆时针方向旋转。CW： 正转信号，每个脉冲使电机正向转动一步。CCW：反转信号，每个脉冲使电机反向转动一步。,RESET：复位信号，如复位信号为低电平时,输入脉冲信号起作 用，如果复位信号为高电平时就禁止任何有效的脉冲， 输入信号无效，电机无保持扭矩。READDY: 输入报警信号：READY是继电器开关，当驱动器正 常工作时继电器闭合，当驱动器工作异常时继电器 断开。继
11、电器允许最高输入电压和电流是：35VDC， 10mAI200mA，电阻性负载。如用该继电器，要 把他串联到CNC的某输入端。当驱动器正常工作时 继电器闭合，外部24VDC通过继电器输入到CNC输入 端，否则外部24VDC无法输入到CNC输入端。注意：PULSE+与CW+，PULSE-与CW-，DIR-与CCW-对应同一 个接线口，按控制方式不同给出的两种定义名称。,本驱动器提供2-256细分，在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。,可以讲细分驱动器是将脉冲拍数进行细分或
12、将旋转磁场进行数字化处理。是将磁场进行细分，其控制精度取决于步进电机自身精度的高低。不过也可根据不同厂家的步进电机进行修正，但这不是一般驱动器生产厂家所能做到的。因此细分驱动器往往用在减少噪音和提高电机轴输出的平稳性上。,6、 M535步进电机驱动器细分设置,1）按驱动器前面板表格将细分数设置为16,将电机设置为57HS13步进电动机的额定电流.,2）.步进电机驱动器的电流选择，拨码开关1、2、3可以选择驱动器的电流大小，下表不同的拨码方式对应的电流大小也不同，通过下表可以看出其对应关系，,步进电机由于静止时的电流很大，所以一般驱动器都提供半流功能， （ 1）.首先将半流功能打开，让驱动器带电
13、的情况下静止30分 钟，测出此时的电机温度，并记录下来 （ 2）.待电机冷却后，将半流功能关闭，让驱动器带电的情况 下静止30分钟，测出此时的电机温度，并记录下来，与 上次所测的温度进行比较,7、半流功能,六、步进电机常见问题,步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8 的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45，电机的精度能否达到或接近0.45，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精
14、度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。,1、细分驱动器的细分数是否能代表精度?,步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：A.如步进电机正好工作在共振区，可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，这是最常用的、最简便的方法；C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。,2、如何克服两相混合式步进电机在低速运转 时的振动和噪声?,1.电机不运转 1） 驱动器无供电电压 2） 驱动器保险丝熔断 3） 驱动
15、器报警(过电压、欠电压、过电流、过热) 4） 驱动器与电机连线断线 5） 系统参数设置不当 6） 驱动器使能信号被封锁 7） 接口信号线接触不良 8） 驱动器电路故障 9） 电机卡死或者出现故障 10）电动机生锈 11）指令脉冲太窄、频率过高、脉冲电平太低,七、步进电机常见故障及分析：,2.电机起动后堵转 1）指令频率太高 2）负载转矩太大 3）加速时间太短 4）负载惯量太大 5）电源电压降低,3.电机运转不均匀，有抖动 1） 指令脉冲不均匀 2） 指令脉冲太窄 3） 指令脉冲电平不正确 4） 指令脉冲电平与驱动器不匹配 5） 脉冲信号存在噪声 6） 脉冲频率与机械发生共振,4. 电机运转不规
16、则，正反转地摇摆,1） 指令脉冲频率与电机发生共振 2） 外部干扰,5. 电机定位不准,1） 加减速时间太小 2） 存在干扰噪声 3）系统屏蔽不良,6 . 电机过热： 1） 工作环境过于恶劣，环境温度过高 2） 参数选择不当，如电流过大，超过相电流 3） 电压过高,7. 工作过程中停车： 1） 驱动电源故障 2） 电动机线圈匝间短路或接地 3） 绕组烧坏 4） 脉冲发生电路故障 5） 杂物卡住,8. 噪声大 1） 电机运行在低频区或共振区 2） 纯惯性负载、短程序、正反转频繁 3） 混合式或永磁式转子磁钢退磁后以单 步运行或在失步区,9. 失步或者多步 1） 负载过大，超过电动机的承载能力 2
17、） 负载忽大忽小 3） 负载的转动惯量过大，启动时失步、停车时 过冲 4） 传动间隙大小不均 5） 传动间隙产生的零件有弹性变形 6） 电动机工作在震荡失步区 7） 电路总清零使用不当 8） 干扰 9） 定、转子相檫,10. 无力或者是出力降低 1） 驱动电源故障 2） 电动机绕组内部发生错误 3） 电动机绕组碰到机壳，发生相间短路或者 线头脱落 4） 电动机轴断 5） 电动机定子与转子之间的气隙过大 6） 电源电压过低,11.不能启动 1） 工作方式不对 2） 驱动电路故障 3） 遥控时，线路压降过大 4） 安装不正确，或电动机本身轴承、止口等故障使电动机不转 5） N 、S极接错 6） 长
18、期在潮湿场所存放，造成电动机部分生锈,八、步进电机的选择,步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。,电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的 最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。,1、步距角的选择,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
19、。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。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）,2）静力矩的选择,静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压） 供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I 的1.11.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I 的1.52.0倍。,3）电流的选择,4）力矩与功率换算,步进电机一般在
20、较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P= M =2n/60 P=2nM/60 其P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米 P=2fM/400(半步工作） 其中f为每秒脉冲数（简称PPS),5）电压的确定 混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为1248VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。,6）应用中的注意点,（2）步进电机最好不
21、使用整步状态，整步 状态时振动大。,（1）步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超 过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000- 3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其 在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。,（3）只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。,（4）转动惯量大的负载应选择大机座号电机。,（6）高精度时，应通过机械减速
22、、提高电机 速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也 可以采用5相电机。,（5）电机在较高速或大惯量负载时，一般不在 工作速度起动，而采用逐渐升频提速： 一电机不失步， 二可以减少噪音同时可以提高停止的定 位精度。,7）电机不应在振动区内工作，如若必须可通 过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。 8）电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用 小电流、大电感、低电压来驱动。,9）应遵循先选电机后选驱动的原则。五、其他说明 有关低频振动、升降速、机械共振、工作往复运动的误差、平面圆弧X、Y插补误差以及其他问题。具体解决办法恕不便在此叙述，我厂用户可来电咨询，可根据具体情况解决。 不同厂家的电机在
23、设计、使用材料及加工工艺方面差别很大，选用步进电机应注重可靠性而轻性能、重品质而轻价格。 最好采用同一生产厂家的控制器、驱动器和电机。这样便于最终客户的维, 、 步距角 =0.9 t、 丝杠导程(或螺距)一般纵向丝杠导程取(6810)mm ， 横向丝杠导程取(45)mm Z1、传动齿轮1 Z2、传动齿轮2 i、 传动比 i=Z1/Z2,步进电机进给系统传动比及脉冲当量的计算,(已知条件如下),脉冲当量:步进电机每接受一个进给脉冲,工作台移动的距离. 一般工作台纵向移动的脉冲当量在(0.005-0.01)通常选0.01便于计算； 一般工作台横向移动的脉冲当量在(0.002-0.01)通常选0.0
24、05。举例 1):列出运动方程式 设 =0.9 t=6mm 代入数据 若A=80mm (中心距)，m=2，A=m(Z1+Z2)/2，Z1+Z2=80，i=4/6计算得Z1=32 ，Z2=48 Z1/Z2=32/48,已知： 步进电机步距角 =0.90Zk蜗杆头数 Zk=1Zw蜗轮齿数 Zw=60Z1传动齿轮1 Z2传动齿轮2 转台脉冲当量，取0.010一般为（或0.00200.0050）求Z1=?，Z2=?,举例2：,列出运动方程式：将已知条件带入：若A=60mm，m=2,则， 则 z1+z2=60联立： z2=36, z1=24结论：步进电机的进给系统使用齿轮传动，一是为了求得所需要的脉冲 当量，二是可以增大转矩的作用。,
