步进电机基础知识

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Au tonic s 5相 Hybrid type Stepping Motor的结构 相 的结构
定子STATOR部分 部分 定子
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Au tonic s
什么是保持转矩（HOLDING TORQUE）？
保持转矩（HOLDING TORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，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。
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D r i v e r 的 性 能 范 围 最大应答(驱动 频率(Maximum slewing Frequency) 最大应答 驱动) 频率 驱动 - Stepping Motor能接受的最大频率 能接受的最大频率 Pull-Out Torque(最大输出 Torque) 最大输出 - Stepping Motor正常启动时 正常启动时Torque的范围内，最大输出 Torque 的范围内， 正常启动时 的范围内 Pull-In Torque(输入 Torque) 输入 - Stepping Motor正常启动时的最大 正常启动时的最大Torque 正常启动时的最大 最大启动频率 (Maximum starting Frequency) - Stepping Motor能启动 停止 正⋅反旋转的最大频率 能启动, 能启动 停止, Pull-In Range(Pull-In 领域 : 最大启动领域 最大启动领域) - Stepping Motor正常启动时的最大 正常启动时的最大Torque的范围 正常启动时的最大 的范围
驱动 达
细
数设 为4， 0.45°，还
难控
。
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如何确定步进电机驱动器的直流供电电源？
A.电压 进电机驱动 供电电 电压 供电电压为12～48VDC），电 电压 据电机 果电机工 转 较高 响应 求较 ， 么电压 纹 过驱动 输 电压， 则可 损 B.电 供电电 电 电 可 I 1.5～2.0 。 个较宽 围（ IM483 工 转 响应 求来选择。 值 高， 电 电压 驱动 。
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为什么步进电机的力矩会随转速的升高而下降？
当
进电机转动时，电机各 电动势 。 它 导 矩 降。
绕组 电感将 ，电机随频 （
个 ）
电动势；频 电
高， 减 ，从
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为什么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？
进电机
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Au tonic s 步进电机分哪几种？
步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB） 永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度； 反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声 和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰； 混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相 步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。
需较大的加•减速力矩 需较大的加 减速力矩 Torque。 。
加减速运转
运转频率=自启动频率
运转频率
必要的 Pulse
确定位置时间
自启动频率
必要的Pulse数 数 必要的
加速时间 确定位置时间 减速时间

必要 Pulse 数
移动距离 Motor 1旋转移动距离 旋转移动距离 System系统需运转所必需的 Pulse数 系统需运转所必需的 数
步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服： A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区； B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法； C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机； D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高； E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。
Controller 用于控制一般位置及速度的 Motor 信号的输出顺序
Driver
Stepping Motor
Controller
Driver
Motor
反馈Feedback 信号 反馈
Sensor
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必要力矩Torque的计算 的计算 必要力矩
TM = J d 2 + D d θ + Tf dt dt
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细分驱动器的细分数是否能代表精度?
进电机 细 减 带功 。
术实质 进电机
种电 频 动，
术（请参考 高电机 运转
关
献）， 细 术
个
对 进角为1.8° 两 么电机 运转 为 个 决 细 驱动 细 电 控 厂家 细 驱动 可
进电机， 果细 0.45°，电机 它 。 别 ；细 数
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步进电机精度为多少？是否累积？
一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。
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步进电机的外表温度允许达到多少？
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。
=
×
360° ° Step 角
运转频率[pps] 运转频率
运转频率[pps] 运转频率
=
必要 Pulse数 数 确定位置时间[sec] 确定位置时间
=
减速时间[sec] 必要 Pulse数 – 启动频率 数 启动频率[pps]×加•减速时间 × 减速时间 确定位置时间[sec] -加•减速时间 减速时间[sec] 确定位置时间 加 减速时间
KR-55M
W105 X H38 X L74 DC20-40V 3A 1.4A
KR-515M
W39 X H130 X L170 AC100-115V 350VA
[N]
φD
♦ 实测方法 TL = 负荷 FB D 2
[N • m]
φD
FB : 轴启动时的力 轴启动时的力[N] = kg × g
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加 • 减速 力矩（Torque）的计算 力矩（ ） ♦ 启动运转时 加 • 减速 Torque[N•m] = × 转子的惯性 Moment [kg•m2] + 负荷的惯性 Moment [kg•m2]
Motor Torque 加 •减速 减速 Torque 负荷 Torque 静止摩擦负荷 Torque
2θ
转子和负荷的惯性Moment 转子和负荷的惯性 系数
必要 Torque
Motor安装 System所具有的 安装 所具有的Torque 所具有的 Motor的动特性产生的 Torque时，要大于必要 Torque。 的动特性产生的 时 。
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步进电机 & 驱动器
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目录
1. Question & Answer 2. 步进电机驱动器规格参数 3. 步进电机驱动器选型表 2相 5相 Motor的 力矩Torque 4. 2相, 5相 Stepping Motor的 力矩Torque 特性 Micro5. Micro-Step 驱动技术的仪器分析 Motor的 6. Stepping Motor的 选定
加 • 减速 Torque[N•m] =
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步进电机驱动器规格参数表
型号 外形尺寸 输入电源 驱动电流 驱动方式 脉冲宽度 脉冲间隔 上升/下降时间 输入脉冲 最大脉冲频率 性能参数 输入脉冲电压 输入内部电阻 工作周围温度
50kpps
KR-5M
W39 X H32 X L45
Slew Range(Pull-Out 领域 领域) - Stepping Motor正常启动时 正常启动时Torque的范围内，最大输出 Torque范围 的范围内， 正常启动时 的范围内 范围
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什么是DETENT TORQUE？
DETENT TORQUE 是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。
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什么是步进电机？
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器 接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即 步进角）。 您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时 您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。
π × step 角[°] × 运转频率2[pps] ° 180° × 3.6°/θ S ° °
♦ 加 • 减速运转时 π × step 角[°] ° 转子的惯性 Moment 负荷的惯性 Moment × + [kg•m2] [kg•m2] 180° ° × 运转频率[pps] – 启动频率 启动频率[pps] 运转频率 减速时间[sec] 加 • 减速时间
负荷 Torque
与驱动器接触的摩擦及与负荷大小相关的力
加•减速 Torque 减速
进行加.减速时所必需的 根据驱动器的惯性 Moment进行加 减速时所必需的 Torque 进行加
安全率
驱动器的动作安全比率
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运转方式下模型(Pattern) 运转方式下模型 运转 Pattern 自启动运转
FA
m
TL = =
µFA + mg πD × 2π i (µFA + mg)D
2i
[N • m]
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驱动/Rack, Pinion 驱动 ♦ Wire • Belt 驱动 FA F m
φD
TL = F × πD = FD 2η i 2πη i
[N • m]
FA m
F
F = FA + mg (sin α + µ cos α)
据驱动 1.1～1.3 ；
输 果
电 I来 。 果 开关电 ，电 电
线 电 可 I
，电
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Motor的基本用语及特性 Stepping Motor的基本用语及特性
Open loop 控制 Motor的控制方法 的控制方法 闭环(Closed Loop)控制 闭环 控制 Stepping Motor 信号的输出顺序
动 频 转。 负载 应该 加 过 机转 从
个 ，
术参数：空载启动频 ， 进电机 空载 况 够 启 果 频 高 该值，电机 启动，可 发 丢 况 ，启动频 应更 。 果 电机达 高 转动， 频 ， 启动频 较 ， 加 高频（电 高 ）。
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如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振 动和噪声？
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负荷力矩 Torque计算 计算 ♦ Ball-screw驱动 驱动 FA m
直接 coupling
TL =
FPB µ0F0PB 1 × 2πη + 2π i
[N • m] [N]
F = FA + mg (sin α + µ cos α)
α
♦ Pulley 驱动
φD
TL : 负荷 Torque [N•m] F : 合力 合力[N] F0 : 侧压力 侧压力[N] (≅1/3 F) ≅ 的内部摩擦系数(0.1~0.3) 的内部摩擦系数 µ0 : 侧压 NUT的内部摩擦系数 效率(0.85~0.95) η : 效率 i : 减速比 PB : Ball-screw pitch[m/rev] FA : 外力 倾斜角[° α : 倾斜角 °] D : 直径 m : work和 table的总重量 的总重量[kg] 和 的总重量 g : 重力加速度 重力加速度[m/sec2] µ : 摩擦系数
为控制Motor的速度 位置。信号 Sensing 的速度, 位置。 为控制 的速度 信号的控制方式. 有反馈 Feedback信号的控制方式 信号的控制方式
开环(Open Loop) 控制 开环
为控制Motor的速度 位置。信号 Sensing 的速度, 位置。 为控制 的速度 信号的控制方式. 无反馈 Feedback信号的控制方式 信号的控制方式