1、一、步进电机的工作原理一、步进电机的工作原理 步进电机是一种能将数字脉冲以轴步进一个步距角增量，因此，步进电机能很步进电机是一种能将数字脉冲以轴步进一个步距角增量，因此，步进电机能很方便地将电脉冲转换为角位移，具有较好的定位精度，无漂移和无积累定位误差方便地将电脉冲转换为角位移，具有较好的定位精度，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。种小型自动化设备及仪器。二二.步进电机的分类：步进电机的分类：按转矩产生的原理可分为按转矩产生的原理可分为:1.1
2、.反应式步进电机反应式步进电机;2.2.永磁式步进电机永磁式步进电机;3.3.混合式步进电机；混合式步进电机；从电流的极性上可分为从电流的极性上可分为:1.1.单极性步进电机单极性步进电机;2.2.双极性步进电机双极性步进电机 从控制绕组数量上可分为从控制绕组数量上可分为:1.1.二相步进电机二相步进电机;2.2.三相步进电机三相步进电机;3.3.四相步进电机四相步进电机;4.4.五相步进电机五相步进电机;5.5.六相步进电机；六相步进电机；从运动的型式上可分为：从运动的型式上可分为：1.1.旋转步进电机。旋转步进电机。2.2.直线步进电机。直线步进电机。3.3.平面步进电机。平面步进电机。三
3、.步进电机的驱动电路、控制方式及接线图（一）.驱动电路：步进电机绕组的驱动电路，单极性电流一般采用下图双管串联电路,双极性电流一般采用下图的H桥电路;对于三相混合式步进电机则采用三相逆变桥电路,见下图图7 步进电机绕组驱动电路(a)(b)(c)VDCVDCVDC（二）.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驱动器步进电机步进电机工作台工作台(a)开环控制 比较、补偿脉冲比较、补偿脉冲脉冲混合器脉冲混合器步进电机驱步进电机驱动器动器步进电机步进电机指令指令工作台工作台位置测量位置测量(b)反馈补偿闭环控制
4、图9 步进电机与控制器连接框图流-+12345614715819210311412513世纪星世纪星HNC-21XS30A+A-B+B-Z+Z-+5V+5VGNDGNDCP+CP-DIR+DIR-PUL+PUL-DIR+DIR-P1P2步进驱动器MS535BDACBDAC电机57HS13混合步进电机A+A-B+B-AC 30V（三）（三）.步进电机的接线图步进电机的接线图四.步进电机的主要特性：（一）步距角和步距误差：转子每步转过的空间机械角度，即步距角转子每步转过的空间机械角度，即步距角为为 =360=360/Z/Z*N N其中其中 Z-Z-转子齿数，转子齿数，N-N-运行拍数。运行拍数。步
5、进电机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角存在有步距误差。连续走若干步时，上述误差形成累积值。转子转过一圈后，回至上一转的稳定位置，因此步进电机步距的误差不会长期积累。步进电机步距的积累误差，是指一转范围内步距积累误差的最大值，步距误差和积累误差通常用度、分或者步距角的百分比表示。影响步距误差和积累误差的主要因素有:齿与磁极的分度精度；铁心迭压及装配精度；各相矩角特性之间差别的大小；气隙的不均匀程度等。（二）静态矩角特性和最大静转矩特性：（二）静态矩角特性和最大静转矩特性：所谓静态是指电机不改变通电状态，转子不动时的工作状态。空载时，步进电杌某相通以直流电流时，该相对应的定、转子齿对齐，这
6、时转子无转矩输出。如在电机轴上加一顺时针方向的负载转矩，步进电机转子则按顺时针方向转过一个小角度，称为失调角,这时转子电磁转矩T与负载转矩相等。矩角特性是描述步进电机稳态时，电磁转矩与失调角之间关系的曲线，或称为静转矩特性。T0图10 步进电机矩角特性（三）（三）.步进电机矩频特性：步进电机矩频特性：矩频特性是用来描述步进电机连续稳定运行时输出转矩写连续运行频率之间的关系曲线。矩频特性曲线上每一频率所对应的转矩称为动态转矩。动态转矩除了和步进电机结构及材料有关外，还写步进电机绕组连接、驱动电路、驱动电压有密切的关系。下图是混合式步进电机连续运行时的典型的矩频特性曲线。T0Nm绕组并联绕组并联绕
7、组串联绕组串联f步进电机矩频特性四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较的场合使用，此时需要的驱动器在电机转速较的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的流
8、为电机相电流的1.4倍，因而电机发热较大。倍，因而电机发热较大。-+12345614715819210311412513世纪星HNC-21XS30A+A-B+B-Z+Z-+5V+5VGNDGNDCP+CP-DIR+DIR-PUL+PUL-DIR+DIR-P1P2步进驱动器MS535BDACBDAC光电编码器电机57HS13混合步进电机A+A-B+B-AC 30V世纪星HNC-21参数设置按下表对步进电机有关参数进行设置坐标轴参数 参 数 名参数值伺服驱动型号46伺服驱动器部件号0最大跟踪误差0电机每转脉冲数 400伺服内部参数0 步进电机拍数 8伺服内部参数1 0伺服内部参数2 0伺服内部参数
9、345 0快移加减速时间常数 0快移加速度时间常数 0加工加减速时间常数 0加工加速度时间常数 0参数名型号标识地址配置0配置1部件05301不带反馈46 0 0 0.测定步进电机的步距角，用手动方式发送单脉冲,从世纪星显示屏上记录工件实际坐标值,计算步进电机的步距角 实际坐标值360度 360度=，(取最接近数值-整数);脉冲数(n)4光电编码器线数(n20)计算每一步脉冲的实际坐标增量值,换算成实际步距角 单脉冲实际坐标增量值360度 1=;4光电编码器线数 由和计算出步距精度 (1-)/。将记录和计算数据填入 下表脉冲列12345678910坐标值实际步距步距精度脉冲列111213114
10、151617181920坐标值实际步距步距精度测定步进电机的静转矩特性:步进电机处于锁定状态(即不发送脉冲给驱动器),用测力扳手或悬挂砝码给步进电机施加外加转矩T,并读取对应的转子轴偏转角(从记录工件实际坐标值换算),记录一组转矩T与偏转角数据,直至最大转矩点。计算步进电机的静态刚度 静态刚度=注意:由于在锁定状态时,驱动器电流自动地减半,实际静态刚度还可能增大一倍。将记录和计算数据填入下表：弧度）（(/qqDD=NmTddT测定步进电机的空载起动频率:拆去光电编码器,让步进电机空载,在步进电机轴伸处作一标记,由世纪星设置步进电机整数转的位移(例如1.转脉冲数/转)和速度,且加减速时间常数也设
11、置为零.步进电机处于锁定状态下,执行上述命令,步进电机突然起动并突然停止,从轴伸标记判断步进电机是否失步.若起动成功,则提高速度参数再测试,直至某一临界速度,并由此速度换算为步数/秒,即为电机的空载起动频率.测定步进电机的运行矩频特性:将步进电机与磁粉制动器用联轴器相连接.由世纪星设置步进电机的速度(即为步进电机的运行频率),且将加减速时间常数设置为1秒以上.步进电机在锁定状态下,执行起动命令,电机将加速至所给定转速,待速度稳定后,调节磁粉制动器的激励电流,逐渐加大负载,直至步进电机失步停转,记录该激励电流值.增加步进电机的速度给定值,重复上述步骤,记录新转速下,使步进电机失步的激励电流值.由
12、磁粉制动器特性曲线,获取对应激励电流的制动转矩值(Nm),并由速度指令值换算为频率值,即可绘出步进电机的运行矩频特性。将步进电机定子绕改为并联接法,如下图,再按上述步骤测定运行矩频特性。（注：绕组并联后,应将步进电机的电流设置增大一倍,才不至于降低了低频段的输出转矩。）A+A-B+B-A+A-C-CB+B-D-D世纪星世纪星HNC-21TFHNC-21TF配步进电机时的参数设置配步进电机时的参数设置按表1对步进电机有关参数设置坐标轴参数，按表2设置硬件参数。表1 坐标轴参数参 数 名参数值外部脉冲当量分子25外部脉冲当量分母256伺服驱动型号46伺服驱动器部件号0最大跟踪误差0电机每转脉冲数
13、200伺服内部参数0 步进电机拍数 4伺服内部参数1 0伺服内部参数2 0伺服内部参数345 0快移加减速时间常数 100快移加速度时间常数 64加工加减速时间常数 100加工加速度时间常数 64表表2 2 硬件配置参数硬件配置参数参 数名型号标识地址配置0配置1部件05301不带反馈46 0 0 02.M535步进电机驱动器参数设置 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将旋转磁场进行数字化处理。是将
14、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。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.拨码开关细分数 SW5SW6 SW7 SW8 2 1 1 1 1 1 1 1 1 4 1 1 0 0 1 1 1 1 81 1 1 1 0 0 1 1 16 1 1 0 0 0 0 1 1 32 1 1 1 1 1 1 0 0 64 1 1 0 0 1 1 0 0 128 1 1 1 1 0 0 0 0256 1 1 0
15、 0 0 0 0 0注意：如果驱动器的细分数发生了改变，那么系统轴参数中的脉冲当量分子、分母也要相应的发生改变，其具体的计算方法如下：跟据上面的公式，正确计算出系统轴参数中的脉冲当量分子、分母的比值，并简述轴参数中的脉冲当量分子、分母的比值对整个系统的影响：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，拨码开关 电流 SW1 SW2 SW3 1.3 1 1 1 1.6 0 1 1 1.9 1 0 1 2.2 0 0 1 2.5 1 1 0 2.9 0 1 0 3.2 1 0 0 3.5 0 0 0
16、3）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，当步进驱动器如果一段时间内没有接受到脉冲，那么它就会自动将电流减半，用来防止驱动器过热，M535驱动器也提供本功能，将波码开关拨至OFF，半流功能开；将波码开关拨至ON，半流功能关。（1）.首先将半流功能打开，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（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3.步进电机绕组的并联与串联接法实验：本实验台所用电机为两相电机，但是具有四个绕组线圈，这样我们就可以将线圈两两进行并联或串联在一起
17、，（注：绕组并联后,应将步进电机的电流设置增大一倍,才不至于降低了低频段的输出转矩。）A+A-B+B-A+A-C-CB+B-D-D4.测定步进电机的空载起动频率:1）.让步进电机空载，在步进电机轴伸处作一标记,由世纪星设置步进电机整数转的位移(例如1.转脉冲数/转)和速度,2）.加减速时间常数也设置为零.步进电机处于锁定状态下,执行上述命令。3）步进电机突然起动并突然停止,从轴伸标记判断步进电机是否失步.4）起动成功,则提高速度参数再测试,直至某一临界速度,5）由此速度换算为步数/秒,即为电机的空载起动频率.5在工作台上增加一定的负载，按上述步骤测定步进电机的空载起动频率，并进行比较两者的起动
18、频率有什么区别。五.步进驱动器装置的几种故障设置的实验 什么是保持转矩（什么是保持转矩（HOLDING TORQUE）保持转矩（保持转矩（HOLDING TORQUE）是指步进电机通电是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要而变化，所
19、以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。的步进电机。什么是什么是DETENT TORQUEDETENT TORQUE 是指步进电机没有通电的情况下，是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它
20、没有有DETENT TORQUE。如何确定步进电机驱动器的直流供电电源如何确定步进电机驱动器的直流供电电源A.电压的确定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（比如IM483的供电电压为的供电电压为1248VDC），），电源电压通常根据电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
21、驱动器。驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。B.电流的确定电流的确定供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取性电源，电源电流一般可取I 的的1.11.3倍；如果采用开关电源，倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取电源电流一般可取I 的的1.52.0倍。倍。细分驱动器的细分数是否能代表精度细分驱动器的细分数是否能代表精度?进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参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考有关文献），其主要目的是减弱或消除
22、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。比如对于步进角为附带功能。比如对于步进角为1.8 的两相混合式步进的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的，那么电机的运转分辨率为每个脉冲运转分辨率为每个脉冲0.45，电机的精度能否达到，电机的精度能否达到或接近或接近0.45，还取决于细分驱动器的细分电流控制，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度可能差精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。别很大；细分
23、数越大精度越难控制。步步步进电机的细分控制是由驱动器精确控制步进电机的相电流步进电机的细分控制是由驱动器精确控制步进电机的相电流来实现的，以二相电机为例，假如电机的额定相电流为来实现的，以二相电机为例，假如电机的额定相电流为3A，如果使用常规驱动器（如常用的恒流斩波方式）驱动该电机，如果使用常规驱动器（如常用的恒流斩波方式）驱动该电机，电机每运行一步，其绕组内的电流将从电机每运行一步，其绕组内的电流将从0突变为突变为3A或从或从3A突突变到变到0，相电流的巨大变化，必然会引起电机运行的振动和，相电流的巨大变化，必然会引起电机运行的振动和噪音。如果使用细分驱动器，在噪音。如果使用细分驱动器，在1
24、0细分的状态下驱动该电机，细分的状态下驱动该电机，电机每运行一微步，其绕组内的电流变化只有电机每运行一微步，其绕组内的电流变化只有0.3A而不是而不是3A，且电流是以正弦曲线规律变化，这样就大大的改善了电机的且电流是以正弦曲线规律变化，这样就大大的改善了电机的振动和噪音，因此，在性能上的优点才是细分的真正优点。振动和噪音，因此，在性能上的优点才是细分的真正优点。由于细分驱动器要精确控制电机的相电流，所以对驱动器要由于细分驱动器要精确控制电机的相电流，所以对驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求，成本亦会较高。有相当高的技术要求和工艺要求，成本亦会较高。注意，国内有一些驱动器采用注意，国内有一些驱动器采用“平滑平滑”来取代细分，有的来取代细分，有的亦称为细分，但这不是真正的细分，望广大用户一定要分清亦称为细分，但这不是真正的细分，望广大用户一定要分清两者的本质不同两者的本质不同.设定半流功能半流功能是指驱动器在一定时间 内无输入脉冲时，自动减少输出相电流为额定值的60%，该功能即可以节省能源，减少电机的发热，又能延长驱动器的工作寿命。用图2中拨码开关3（CURR-RED）来设定半流功能，当开关3设置为“OFF”时有半流功能；当开关3设置
