步进电机的选型

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1、步进电机在构造上有三种主要类型：反应式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式(Hybrid Stepping,HS)。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

2、点是输出力矩大、动态性能好，步矩角小，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。最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。该种电机的基本步矩角为1.8/步，配上半步驱动器后，步矩角减少为0.9，配上细分驱动器后其步矩角可细分达256倍（0.007）。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的性能特点及其与普通电机的不同步进电机具有特殊的步进工作方式，它接受驱动电源提供的电脉冲并按“脉冲步调”输出增量式转角或直线位移，故也被称为脉冲电动机。步

3、进电机的工作状态相对不易受电源、环境条件及负载的波动影响，它可以工作于步进状态和连续状态。改变脉冲相序和频率可调整步进电动机的转向和转速，它调速范围较宽且平滑性较好，步距误差无积累现象，结构简单、运行稳定可靠，广泛用于自动控制系统尤其是数字控制系统中作为执行元件。就应用面来看，步进电动机在执行电机中占有相当重要的位置。对步进电动机的要求包括：1、步距角精度高，能够准确地将脉冲信号转换为角位移。2、启动频率和运行频率满足系统要求，运行稳定。连续调整工作频率时，步进电动机应能跟上工作频率的变化，不能出现“失步”及严重的振荡现象。3、产品通用性强，功耗低，效率高。4、具有较强的负载驱动能力。某些场合

4、中当步进电机停转时，还要求有足够的定位力矩。步进电动机虽然在运行、控制方式等方面异于一般的电动机，它仍然是以电磁关系为基础进行机电能量转换的。按工作原理的差异，常把步进电动机分为反应时（磁阻式）、永磁式和混合式三大类。特殊种类的步进电动机包括直线步进电动机、平面步进电动机、微型步进电动机等。近30年来，步进电动机在产品结构、种类与性能方面有较大的发展，其产品逐渐趋于高效率、通用化、系列化。由于需要采用特殊的电源提供控制脉冲，因而步进电动机的发展还与电子技术密切相关。世界知名的半导体厂商相继开发了多种用于步进电动机驱动控制的专用集成电路芯片，在一定程度上简化的驱动控制的复杂性，例如步进电机驱动芯

5、片tb6560ahq，就是由东芝公司推出的、目前最成熟的高集成度产品。随着微型计算机尤其是工业控制计算机的广泛应用，机电设备或系统日益体现数字化的特征，采用软件方式对步进电动机进行控制增加了灵活性与适应性，必将逐渐拓展步进电动机的应用领域。1、系统常识：步进电机和步进电机驱动器构成步进电机驱动系统。步进电机驱动系统的性能，不但取决于步进电机自身的性能，也取决于步进电机驱动器的优劣。对步进电机驱动器的研究几乎是与步进电机的研究同步进行的。2、系统概述：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号（来自控制器），它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称

6、为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。3、系统控制：步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电机驱动器）。控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。4、用途：步进电机是一种控制用的特种电机，作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，随着微电子和计算机技术的发展（步进电机驱动器性能提高），步进电机的需求量与日俱增。步进电机在运行中精度没有积累误差的特点，使其广泛应用于各种自动化控制系统，特别是开环控制系统。5、步进电机按结构分类：步进

7、电机也叫脉冲电机，包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）等。（1）反应式步进电机：也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电机。其定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消耗功率较大，电流最高可达20A，驱动电压较高）；步距角小（最小可做到六分之一度）；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长；启动和运行频率较高。（2）永磁式步进电机：通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转

8、子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于2A，驱动电压12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；断电时具有一定的保持转矩；启动和运行频率较低。（3）混合式步进电机：也叫永磁反应式、永磁感应式步进电机，混合了永磁式和反应式的优点。其定子和四相反应式步进电机没有区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同），转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和槽）。一般为两相或四相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁

9、式小（一般为1.8度）；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电机。6、步进电机按工作方式分类：可分为功率式和伺服式两种。（1）功率式：输出转矩较大，能直接带动较大负载（一般使用反应式、混合式步进电机）。（2）伺服式：输出转矩较小，只能带动较小负载（一般使用永磁式、混合式步进电机）。7、步进电机的选择：（1）首先选择类型，其次是具体的品种与型号。（2）反应式、永磁式和混合式三种步进电机的性能指标、外形尺寸、安装方法、脉冲电源种类和控制电路等都不同，价格差异也很大，选择时应综合考虑。（3）具有控制集成电路的步进电机应优先考虑。8、步进电机的基本参数：（1）电机固有步距角：

10、它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9/1.8（表示半步工作时为0.9、整步工作时为1.8），这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机工作时的实际步距角，实际步距角和驱动器有关。（2）步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0.72。步进电机增加相数能提高性能，但步进电机的结构和驱动电源都会更复杂，成本也会增加。（3）保持转矩（HOLDING

11、TORQUE）：也叫最大静转矩，是在额定静态电流下施加在已通电的步进电机转轴上而不产生连续旋转的最大转矩。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的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。（4）步距精度：可以用定位误差来表示，也可以用步距角误差来表示。（5）矩角特性：步进电机的转子离开平衡位置后所具有的恢复转矩，随着转角的偏移而变化。步进电机静转矩与失调角的关系称为矩角特性。（6）静态温升：指

12、电机静止不动时，按规定的运行方式中最多的相数通以额定静态电流，达到稳定的热平衡状态时的温升。（7）动态温升：电机在某一频率下空载运行，按规定的运行时间进行工作，运行时间结束后电机所达到的温升叫动态温升。（8）转矩特性：它表示电机转矩和单相通电时励磁电流的关系。（9）启动矩频特性：启动频率与负载转矩的关系称为启动矩频特性。（10）运行矩频特性/惯频特性：略（11）升降频时间：指电机从启动频率升到最高运行频率或从最高运行频率降到启动频率所需的时间。（12）DETENTTORQUE：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易产生误解；反应

13、式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENTTORQUE。9、步进电机的一些特点：（1）步进电机没有积累误差：一般步进电机的精度为实际步距角的百分之三到五，且不累积。（2）步进电机在工作时，脉冲信号按一定顺序轮流加到各相绕组上（由驱动器内的环形分配器控制绕组通断电的方式）。（3）即使是同一台步进电机，在使用不同驱动方案时，其矩频特性也相差很大。（4）步进电机与其它电动机不同，其标称额定电压和额定电流只是参考值；又因为步进电机是以脉冲方式供电，电源电压是其最高电压，而不是平均电压，所以，步进电机可以超出其额定值范围工作。但选择时不应偏离额定值太远。（5）步进电机外表允许的最高温度：步进电

14、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。（6）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。（7）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定频率就无法启动,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

15、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。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）。（8）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低的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7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1.4倍，因而电机发热较大。（9）混合式步进电机驱动器的供电电源电压

16、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。（10）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。（11）当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信

17、号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。（12）用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向，只需将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可。10、步进电机驱动器的一些特点：（1）构成步进电机驱动器系统的专用集成电路：A、脉冲分配器集成电路：如三洋公司的PMM8713、PMM8723、PMM8714等。B、包含脉冲分配器和电流斩波的控制器集成电路：如SGS公司的L297、L6506等。C、只含功率驱动（或包含电流控制、保护电路）的驱动器集成电路：如日本新电元工业公司的MTD1110（四相斩波驱动）和MTD2001（两相、H桥、斩波

18、驱动）。D、将脉冲分配器、功率驱动、电流控制和保护电路都包括在内的驱动控制器集成电路，如东芝公司的TB6560AHQ、MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。（2）“细分驱动”概述：概念：将“电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通过驱动器精确控制步进电机的相电流实现的，与电机本身无关。其原理是，让定子通电相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一次降为0（绕组电流波形不再是近似方波，而是N级近似阶梯波），则定子绕组电流所产生的磁场合力，会使转子有N个新的平衡位置（形成N个步距角）。最新技术发展：国内外对细分驱动技术的研

19、究十分活跃，高性能的细分驱动电路，可以细分到上千甚至任意细分。目前已经能够做到通过复杂的计算使细分后的步距角均匀一致，大大提高了步进电机的脉冲分辨率，减小或消除了震荡、噪声和转矩波动，使步进电机更具有“类伺服”特性。对实际步距角的作用：在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己对步距角的要求。如果使用细分驱动器，则用户只需在驱动器上改变细分数，就可以大幅度改变实际步距角，步进电机的相数对改变实际步距角的作用几乎可以忽略不计。采用细分技术与步进电机精度提高的关系：步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，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

20、术的一个附带功能。细分后电机运转时对每一个脉冲的分辨率提高了，但运转精度能否达到或接近脉冲分辨率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别很大；细分数越大精度越难控制。真正的细分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。国内有一些驱动器采用对电机相电流进行“平滑”处理来取代细分，属于“假细分”，“平滑”并不产生微步，会引起电机力矩的下降。真正的细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加。选用步进电机时应注意以下几点：1、一般应选用力矩比实际需要大百分之五十到百分之百的步进电机，因为步进电机不能过负载运行，即便是瞬间过载都可能造成失

21、步、停转或不规则原地来回作动。2、上位控制器输入的脉冲电流必须够大（一般要10mA），以确保光电耦合器稳定导通，否则会导致步进电机失步；如果输入脉冲频率过高，会因个别脉冲接收不到，导致步进电机失步。3、启动频率不应太高，应在启动程序中设置加速过程，即从规定的启动频率开始，加速到设定频率，否则就可能不稳定，甚至处于惰态。4、电机如果未固定好，造成强烈共振，也会导致步进电机失步。5、应了解步进电机的固有弱点：输入脉冲频率过高，易导致丢步；输入脉冲频率过低，易出现共振；转速偏高时扭矩降低明显。6、应了解最新型步进电机的性能，必要时选用采用了最新控制技术的高级步进电机系统，高级系统既可以使步进电机在高

22、速状态下减少共振，还能运用减少步进电机反电动势的技术，增加电机在高速状态下的扭矩。步进电动机常见故障及处理 2009年10月17日 步进电动机常见故障及处理 1、启动和运行速度减慢故障原因及排除 故障原因：引起运行速度减慢的原因有两方面：其一，检修时将定子各相控制绕组中串入的小电阻拆下末接入，或该小电阻已损坏失效；另一万面是因定、转子气隙不均造成定、转子相擦。 就原因一来说，因步进电动机控制绕组中输入为脉冲电流由于绕组巾有电感的存在，它会使脉冲电流的上升时间和下降时间增长，影响步进电动机启动和运行速度，即使两者速度减慢。原串入的电阻是使绕组回路时间常数减小，改善届动和运行特性；当检修时未接入该

23、电阻或电阻损坏(短路、开路、击穿等)，则回路时问常数增大，使脉冲电流上升沿和下降沿由陡直变为平坦，恶化了频率特性。 解决的方法是：将未接入的电阻重新接入同路，注意应串接在每相绕组内；如电阻失灵损坏，应选用同规格的电阻换上。注意选用的电阻阻值应等于或大于原电阻阻值，不可用小阻值电阻代替，因为阻值越大，电流电压越高，脉冲电流特性越好，但阻值也不能选得过大，否则使电机效 率降低。 就原因二来说，由于气隙不均会造成定、转子相擦故障，加大了步进电动机静态力矩，因此使动态特性(力矩)变差，导致启动和运行速度减慢。 解决的办法是仔细检查出定、转子相擦的原因，解决气隙不均匀现象。 2、运行中失步故障原因及排除

24、 失步原因：失步原网也柏两方面，第是步进电动机带大惯量负载而产生振荡，造成在某一运行频率下启动失步或停转滑步。第二是原采用双电源供电的而改为单电源供电，使启动频率和运行频率降低，矩频特性恶化而失步。 解决方法：原因一造成失步的排除方法是：通过加大负载的摩擦力矩或采用机械阻尼的方法，用以消除或吸收振荡能量，改善运行特性，消除失步。因为步进电动机是受控丁电脉冲而产生步进运动的，采取如上措施能使电脉冲正常，不受干扰，从而消除失步的可能性。 原因二解决的办法是恢复双电源供电。有些使用单位或部门，为简化电路采用单电源供电，造成步进电动机运行失步。这是一种错误的措施。采用双电源是为了提高启动及运行两种效率

25、，改善矩频特性从而改善输入步进电动机绕组中脉冲电流的上升沿及下降沿。用单电源供电，脉冲稳定电流得不到维持，步进电动机功率相应减小，所以在驱动中相当于容量小而过载，效率降低而失步。采用双电源供电，用高、低压两套电路，即在步进电动机绕组脉冲电流通入瞬间(上升沿阶段)，对其施以高电压，强迫电流上升加速；当电流达到一足值后，再改为低压，使电机正常运行。这种措施不仅使驱动电源容量大大减小(比单电源供电小)，提高了运行效率，也改善了运行特性，电动机可不失步运行了。 3、控制绕组一相绕反及排除方法 一相绕组反接相当于通电电流方向相反，电流相互抵消，电动机在此相内运行失常或根本不能运行。 解决的办法是，用仪表

26、检测出反接相后，将该相绕组头尾调换，按三确接法接好。 4、控制绕组断路、短路与绝缘击穿及排除方法 定子控制绕组开路、短路、击穿原因：开路原因一是引线开焊，二是虚焊，三是机械损伤而折断。 短路及击穿原因：一是导线绝缘层质量差而露铜，使匝间短路；二是绕线或套入磁极过程中损伤绝缘层；三是电机运行年久又过热，使绝缘毛化或烤焦，造成短路或击穿。 解决的办法：开路故障中如属开焊或虚焊，应重新焊好、焊牢；如因折断，将折断处头尾拧紧在起再焊牢，焊接处包好绝缘。 短路或击穿的处理：如仅表面1匝或几匝绝缘受损，可剥去旧绝缘按规定包好新绝缘；如整个绕组绝缘老化，造成严重匝间短路或击穿，因无法局部修理，只有按原线规格

27、、原匝数重绕线圈换上。 5、电源装置故障使步进电动机不能运行的原因及排除方法 电源装置故障原因主要有三方面，一是功率放大器失灵；二是门电路中电了开关损坏；三是计数器失灵。 处理方法：用万用表及示波器等仪器，列照线路图逐步检查。如测出放大程序逻辑部分无信号或信号弱，说明功率驱动器有毛病，应对其进行进一步检查和修理；当电子开关中启动开关损坏，应更换；如反馈信号没有，即没有反馈电压值，说明反馈环节有故障，应检测脉冲数选器、整形反相环节等，找出毛病予以调整；如门电路不关闭、步进电动机不停机，说明计数器有故障，应检测计数器找出毛病，使之调整灵活，达到计数器在规定的脉冲数后电机停转，即达到当输入脉冲数川好

28、为所选定的数字，门电路就关闭，电机就停转；当发现电动机通电次序不对，不符合设定顺序，说明环形分配器失灵，因它的级数应等于步进电动机的相数，在此情况下它才按规定逻辑给电动机各相绕组依次通电，使之顺转或逆转。总之对电源装置应经常检测和调整，使之正常，才能保证步进电动机工作 正常。 图6-19是三相反应式步进电动机电子供电逻辑线路。如出线标志不明，无法和电源联接，此时应该用万用表来测量，如测量出现某一端子与其余各端的电阻值对称或减小，该端即为公共端，其余界限端则按顺序排列。 Mach3 CNC控制软件 是由美国ArtSoft公司开发的由Windows为平台的数控软件.系统版本必须为WIN XP或WIN2000.通过计算机并口控制步进或伺服电机.从而实现控制数控机床.本软件支持所有国际标准G代码.最多控制6轴.能5轴联动带线形插补功能.能实现复杂零件高精度加工,最高控制精度为0.0001MM.复杂功能需求时,可用MODBUS装置控制如刀库,夹具,及屑料传送机构的控制.系统具有螺距误差补偿,反向间隙补偿,刀具长度补偿,刀尖半径补偿及磨损补偿功能.MACH3广泛应用在数控车床,模具雕刻机,加工中心、木工机床、木工雕刻机、医用假牙雕刻机、激光打标机、等离子切割机、,火焰切割机、激光凹版制版机、激光柔印制版机