步进电机的运行特性分析

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。
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。
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。
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快速性。
4）精度
精度是用一周内最大的步距角误差值表示的。
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)。
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Biblioteka Baidu某步进电动机的矩频特性。
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。
（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。
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
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。
3.4 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。
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：
（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。
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
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。
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
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。
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