夏老师小课堂（17）丨步进电机 本体/控制/装配等 常见问题及答案

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   哈喽，大家好，我是大家的老朋友-夏老师，今天和大家分享一些步进电机的基础知识。

步进驱动脉冲方向控制模式和双脉冲控制模式的区别

1、脉冲方向控制模式即单脉冲模式就是STEP口一直有脉冲输入，DIR口用高低电平来控制方向，又称为clock-direction mode即脉冲方向控制方式；

2、双脉冲模式是指脉冲输入和方向输入两路都采用脉冲输入，只是一路是正向脉冲，一路是反向脉冲，一般称为正反向脉冲控制方式。在双脉冲的情况下，Direction变成了反方向脉冲输入口，给STEP发脉冲电机正转，给DIR发脉冲电机反转。

步进电机的使用注意事项

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；

2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大；

3、由于历史原因，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；

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；

6、高精度时，应通过机械减速、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，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话；

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。

步进电机开环控制与闭环控制有什么区别？

  开环控制只能控制其动作，对结果不反馈。闭环控制可以分析其动作效果进行反馈调节。

步进电机的分类

步进电机从其结构形式上可分为反应式步进电机（Variable Reluctance，VR）、永磁式步进电机（Permanent Magnet,PM）、混合式步进电机（Hybrid Stepping,HS）、单相步进电机、平面步进电机等多种类型,在我国所采用的步进电机中以反应式步进电机为主。步进电机的运行性能与控制方式有密切的关系,步进电机控制系统从其控制方式来看,可以分为以下三类：开环控制系统、闭环控制系统、半闭环控制系统。半闭环控制系统在实际应用中一般归类于开环或闭环系统中。

反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证；

永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）；

混合式：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。市面上受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。

步进电机和驱动器的选择方法

判断需多大力矩：静扭矩是选择步进电机的主要参数之一。负载大时，需采用大力矩电机。力矩指标大时，电机外形也大。判断电机运转速度：转速要求高时，应选相电流较大、电感较小的电机，以增加功率输入。且在选择驱动器时采用较高供电电压。选择电机的安装规格：如57、86、110等，主要与力矩要求有关。确定定位精度和振动方面的要求情况：判断是否需细分，需多少细分。根据电机的电流、细分和供电电压选择驱动器。

步进电机工作原理

   通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

步进电机发热原理

   通常见到的各类电机，内部都是有铁芯和绕组线圈的。绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。

步进电机加减速控制

正因为步进电机的广泛应用,对步进电机的控制的研究也越来越多,在启动或加速时如果步进脉冲变化太快,转子由于惯性而跟随不上电信号的变化,产生堵转或失步在停止或减速时由于同样原因则可能产生超步。为防止堵转、失步和超步,提高工作频率,要对步进电机进行升降速控制。

步进电机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。其角速度与脉冲频率成正比,而且在时间上与脉冲同步。因而在转子齿数和运行拍数一定的情况下,只要控制脉冲频率即可获得所需速度。由于步进电机是借助它的同步力矩而启动的,为了不发生失步,启动频率是不高的。特别是随着功率的增加,转子直径增大,惯量增大,启动频率和最高运行频率可能相差十倍之多。

步进电机的起动频率特性使步进电机启动时不能直接达到运行频率,而要有一个启动过程,即从一个低的转速逐渐升速到运行转速。停止时运行频率不能立即降为零,而要有一个高速逐渐降速到零的过程。

步进电机的输出力矩随着脉冲频率的上升而下降,启动频率越高,启动力矩就越小,带动负载的能力越差,启动时会造成失步,而在停止时又会发生过冲。要使步进电机快速的达到所要求的速度又不失步或过冲,其关键在于使加速过程中,加速度所要求的力矩既能充分利用各个运行频率下步进电机所提供的力矩,又不能超过这个力矩。因此,步进电机的运行一般要经过加速、匀速、减速三个阶段,要求加减速过程时间尽量的短,恒速时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中,从起点到终点运行的时间要求最短,这就必须要求加速、减速的过程最短,而恒速时的速度最高。

步进电机的细分控制

步进电机由于受到自身制造工艺的限制,如步距角的大小由转子齿数和运行拍数决定,但转子齿数和运行拍数是有限的,因此步进电机的步距角一般较大并且是固定的,步进的分辨率低、缺乏灵活性、在低频运行时振动,噪音比其他微电机都高,使物理装置容易疲劳或损坏。这些缺点使步进电机只能应用在一些要求较低的场合,对要求较高的场合,只能采取闭环控制,增加了系统的复杂性,这些缺点严重限制了步进电机作为优良的开环控制组件的有效利用。细分驱动技术在一定程度上有效地克服了这些缺点。

步进电机细分驱动技术是年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动技术。美国学者、首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出步进电机步距角细分的控制方法。在其后的二十多年里,步进电机细分驱动得到了很大的发展。逐步发展到上世纪九十年代完全成熟的。我国对细分驱动技术的研究,起步时间与国外相差无几。

在九十年代中期的到了较大的发展。主要应用在工业、航天、机器人、精密测量等领域,如跟踪卫星用光电经纬仪、军用仪器、通讯和雷达等设备,细分驱动技术的广泛应用,使得电机的相数不受步距角的限制,为产品设计带来了方便。目前在步进电机的细分驱动技术上,采用斩波恒流驱动,仪脉冲宽度调制驱动、电流矢量恒幅均匀旋转驱动控制止,,几大大提高步进电机运行运转精度,使步进电机在中、小功率应用领域向高速且精密化的方向发展。

最初,对步进电机相电流的控制是由硬件来实现的,通常采用两种方法，采用多路功率开关电流供电,在绕组上进行电流叠加,这种方法使功率管损耗少,但由于路数多,所以器件多,体积大。

先对脉冲信号叠加,再经功率管线性放大,获得阶梯形电流,优点是所用器件少,但功率管功耗大,系统功率低,如果管子工作在非线性区会引起失真、由于本身不可克服的缺点,因此目前已很少采用这两类方法。

步进电机的主要特点

1、一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

2、步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁， 从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

3、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

4、步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：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，可能发生失步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

5、步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号， 没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。

6、三相步进电机的步进角度为7.5度，一圈360度，需要48个脉冲完成。

7、步进电机具有快速启动和停止的优越特性。

8、改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。因此，打印机、绘图仪、机器人等设备都以步进电机为动力核心。

步进电机的优势及缺陷

优点：

1、电机旋转的角度正比于脉冲数；

2、电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；

3、由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；

4、优秀的起停和反转响应；

5、由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；

6、电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本；

7、仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转；

8、由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。

缺陷：

1、如果控制不当容易产生共振；

2、难以运转到较高的转速；

3、难以获得较大的转矩；

4、在体积重量方面没有优势，能源利用率低；

5、超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。

步进电机的选型

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。

1、步距角的选择 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。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。

2、静力矩的选择 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。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）。

3、电流的选择 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。

双极性步进电机和单极性步进电机有什么区别？

单极性 (unipolar) 和双极性 (bipolar) 是步进电机最常采用的两种驱动架构。单极性驱动电路使用四颗晶体管来驱动步进电机的两组相位，电机结构包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有六条线与外界连接。这类电机有时又称为四相电机，但这种称呼容易令人混淆又不正确，因为它其实只有两个相位，准确的说法应是双相位六线式步进电机。六线式步进电机虽又称为单极性步进电机，实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。

双极性步进电机的驱动电路会使用八颗晶体管来驱动两组相位。双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步进电机，虽然四线式电机只能使用双极性驱动电路，它却能大幅降低量产型应用的成本。双极性步进电机驱动电路的晶体管数目是单极性驱动电路的两倍，其中四颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动，上端晶体管则需要成本较高的上端驱动电路。双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压，所以它不像单极性驱动电路一样需要箝位电路。