步进电机的运行特性分析

2：使用步进电动机时应注意的几个问题 （1）驱动电源的优劣对步进电动机控制系统的运行影响极大， 使用时要特别注意，需根据运行要求，尽量采用先进的驱动电 源，以满足步进电动机的运行性能。
（2）若所带负载转动惯量较大，则应在低频下启动，然后再 上升到工作频率，停车时也应从工作频率下降到适当频率再停 车。 （3）在工作过程中，应尽量避免由于负载突变而引起误差。
3.4 步进电动机的运行特性及使用
3.4.1 步进电机的运行特性及影响因素
一、步进电动机的基本控制特点 1、角度控制：每输入一个脉冲，定子绕组换接一次，输 出轴就转过一个角度，其步数与脉冲数一致，输出轴转动 的角位移与输入脉冲数成正比。 2、速度控制：各相绕组不断地轮流通电，步进电动机就 连续转动。反应式步进电动转速只取决于脉冲频率f、转 子齿数z和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。当 步进电机的通电方式选定后，其转速只与输入脉冲频率成 正比，改变脉冲频率就可以改变转速，可进行无级调速， 调速范围很宽。
3）启动频率（响应频率） 突然给电机加上某一频率的输入脉冲使转子从静止状态 启动，保证转子能不失步正常运行的最高脉冲频率称为启动频
率。启动频率因负载不同而异。负载启动频率fq比空载启动 频率fost大很多。因此，在选用电动机时应该注意到这一点, 启动频率反映了步进电机跟踪的差值表示的。
极低频运行规律
（2）低频条件下运行1/tb<f<4f0
转子的运行特点：第一个脉冲使转子产生的振荡还没 衰减完，第二个脉冲已经到来，转子的位臵与脉冲的 频率有关，该位臵是第二个脉冲的初始位臵。
T
U
a s
V b’
W b d e
U
a0 a0’
a1 O0
c’
c a2 O1
θa O2
不失步：o0→s→b→c→d→o2→e→o0 失步：o0→s→b’→c’ →a0’→a→o0
二、步进电机的矩角特性
1、概念 矩角特性又称静态特性，指绕组中电流恒定，使转子处在各个 不同位臵且固定不动时电磁转矩随偏转角（电角度θe）的变化 关系。 定子一相绕组通以直流电后， 如果转子上没有负载转矩的作 用，转子齿和通电相磁极上的 小齿对齐，这个位臵称为步进 电动机的初始平衡位臵。如图 所示：
4．步进电动机产生共振,共振也是引起失步的一个原因。 步进电动机处于连续运行状态时，如果控制脉冲的频 率等于步进电动机的固有频率，将产生共振。在一个控 制脉冲周期内，振动得不到充分衰减，下一个脉冲就来 到，因而在共振频率附近动态误差最大并会导致步进电 动机失步。 解决方法：适当减小步进电动机的驱动电流；采用 细分驱动方法；采用阻尼方法，包括机械阻尼法。以上 方法都能有效消除电动机振荡，避免失步现象发生 。
失步原因及解决方法 1．转子的加速度慢于步进电动机的旋转磁场。 即低于换相速度时，步进电动机会产生失步。这是因为输入电动 机的电能不足，在步进电动机中产生的同步力矩无法使转子速度 跟随定子磁场的旋转速度，从而引起失步。由于步进电动机的动 态输出转矩随着连续运行频率的上升而降低，因而，凡是比该频 率高的工作频率都将产生丢步。这种失步说明步进电动机的转矩 不足，拖动能力不够。 解决方法： ①使步进电动机本身产生的电磁转矩增大。 为此可在额定电流范围内适当加大驱动电流；在高频范围 转矩不足时，可适当提高驱动电路的驱动电压；改用转矩大的步 进电动机等。 ②使步进电动机需要克服的转矩减小。 为此可适当降低电动机运行频率，以便提高电动机的输出 转矩；设定较长的加速时间，以便转子获得足够的能量。
五、脉冲信号的频率对电机运行的影响
当脉冲信号频率很低时，控制脉 冲以矩形波输入，电流波形比较接近 于理想的矩形波； 随着脉冲信号频率增高，由于电 动机绕组中的电感有阻止电流变化的 作用，因此电流波形发生畸变，频率 越高，畸变越严重。如图所示， 如果脉冲频率过高，电流还来不 及上升到稳定值I 就开始下降，于是， 电流的幅值降低(由I下降到I’)，因 而产生的转矩减小，致使带负载的能 力下降。故频率过高会使步进电动机 启动不了或运行时失步而停下。因此， 对脉冲信号频率是有限制的。
3．步进电动机及所带负载存在惯性由于步进电动机自 身及所带负载存在惯性，使得电动机在工作过程中不 能立即起动和停止，而是在起动时出现丢步，在停止 时发生越步。 解决方法：通过一个加速和减速过程，即以较低 的速度起动，而后逐渐加速到某一速度运行，再逐渐 减速直至停止。进行合理、平滑的加减速控制是保证 步进驱动系统可靠、高效、精确运行的关键。
（4）若在工作中发生失步现象，首先，应检查负载是否过大， 电源电压是否正常，再检查驱动电源输出波形是否正常，在处 理问题时不应随意变换组件。
3.4.2 步进电动机的主要性能指标和应 用
1．步进电动机的主要性能指标 1）步距角 步距角是步进电动机的主要性能指标之一。不同的应用场 合，对步距角大小的要求不同。它的大小直接影响步进电 动机的启动和运行频率，因此，在选择步进电动机的步距 角时，若通电方式和系统的传动比已初步确定，则步距角 应满足β<=iθmin i——传动比； θmin——负载轴要求的最小位移增量(或称脉冲当量，即 每一个脉冲所对应的负载轴的位移增量)。
六、转子机械惯性对步进电动机运行的影响
从物理学可知，机械惯性对瞬时运动的物体要发生作用， 当步进电动机从静止到起步，由于转子部分的机械惯性作 用，转子一下子转不起来，因此，要落后于它应转过的角 度，如果落后不太大，还会跟上来，如果落后太多，或者 脉冲频率过高，电动机将会启动不起来。 另外，即使电动机在运转，也不是每走一步都迅速地 停留在相应的位臵，而是受机械惯性的作用，要经过几次 振荡后才停下来，如果这种情况严重，就可能引起失步。 因此，步进电动机都采用阻尼方法，以消除(或减弱)步进 电动机的振荡。
例题：如图，传动比i=4，丝杠导程=2mm，步距角β=0.90。求 每一个脉冲所对应的丝杠的角位移量和工作台的线位移量。
解：本题已知步距角、传动比，求负载轴对应的脉冲位移增量。 当步进电机选定，机械传动部分设计完成以后，负载轴对应的脉 冲位移增量为β=iθ,则θ=β/i=0.9/4=0.225. 设步进电机每步对应工作台线位移为X(mm)，由于丝杠（单头） 每转360°对应一个螺距的线位移，本例中螺距为2mm，所以 X=2θ/360=2x0.225/360=1.25um
2、空间角和电角度的关系 若用外力（静负载转矩不为零）使转子错开初始平衡 位臵一个角度。转子齿偏离初始平衡位臵的角度就叫转子 偏转角(空间角)，若用电角度θe表示，则由于定子每相 绕组通电循环一周(360电角度)，对应转子在空间转过一 个齿距τ(空间角θ)，则θe=zθ，即电角度是空间角度的 Z 倍. 3、矩角特性曲线 1）最大静转矩Tsmax 2）TL<(0.3~0.5) Tsmax
应满足△β=i(△βL) 式中，
△
βL——负载轴上所允许的角度误差。
5）连续运行频率fc和矩频特性 步进电动机运行频率连续上升时，电动机不失步运行的最高频率 称为连续运行频率fc，它的值也与负载有关。在同样负载下， 运行频率fc远大于启动频率。fc反映了步进电机的最高运行速 度，直接影响生产率。在连续运行状态下，步进电动机的电磁力 矩随频率的升高而急剧下降。这两者之间的关系称为矩频特性， 如图所示为某步进电动机的矩频特性。
2．转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度。
这时定子通电励磁的时间较长，大于转子步进 一步所需的时间，则转子在步进过程中获得了过多 的能量，使得步进电动机产生的输出转矩增大，从 而使电动机越步。当用步进电动机驱动那些使负载 上、下动作的机构时，更易产生越步现象，这是因 为负载向下运动时，电动机所需的转矩减小。 解决方法：减小步进电动机的驱动电流，以便 降低步进电动机的输出转矩。
三、单步运行特性
1、单步运行: 每施加一个控制脉冲,改变一次通电状态。
1）静稳定区（-π，π）
2）动稳定区
（-π+θbe , π+θbe） 3）稳定运行条件 b -π+θbe <θ<π+θbe
2、单步运行特性
b
运行过程：o→a →o1 →b →o1
转子衰减振荡
四、连续脉冲运行特性
（1）极低频条件下运行 T>tb 控制脉冲周期T大于转子单步运行振荡衰减时间tb，当 第二个脉冲到来之前，第一个脉冲使得转子运行已经结束。 电机处于欠阻尼状态，产生振荡，不会失步和越步。见图 3.20
2）最大静转矩Tsmax 负载转矩与最大静转矩的关系为 TL=(0. 3~0.5)Tsmax 为保证步进电动机在系统中正常工作，还必须满足 TST>TLmax ,式中， TST——步进电动机启动转矩； TLmax——最大静负载转矩。 通常取TLmax =(0. 3~0.5)TST以便有相当的力矩储备。
（3）脉冲频率f>4f0条件下运行
转子的运行特点：在第一个脉冲作用下，转子产生的 振荡还没达到最大振幅，第二个脉冲已经到来，改变 通电状态。见图,电机往往会超出稳定区而失步。
4θbe 3θbe 2θbe θbe O
T
2T 3T 4T 高频运行转子运动规律
补充内容
失步： 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之 为失步。 步进电动机正常工作时，每接收一个控制脉冲就移动一 个步距角，即前进一步。若连续地输入控制脉冲，电动机就 相应地连续转动。 步进电动机失步包括丢步和越步。丢步时，转子前进的步数 小于脉冲数；越步时，转子前进的步数多于脉冲数。一次丢 步和越步的步距数等于运行拍数的整数倍。丢步严重时，将 使转子停留在一个位臵上或围绕一个位臵振动。