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步进电机基础知识（转载）

2019-07-14 00:41发布

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No 1. 如何正确选用步进电机
第一步：步进电机的保持转矩，相当于传统电机所说的“功率”。当然，他
们有着本质的区别。步进电机的物理结构，完全不同于普通的交、直流电机，
它的输出功率是可变的。通常根据需要的转矩大小，来选择哪种型号的步进
电机。大致来说，扭力在0.8n.m 以下的，一般选择28、35、39、42；扭力
在1N.m 左右的，选择57 电机较为合适。扭力在几N.m 或更大的情况下，
就应当选择转矩更大的75、85、86、90、110、130 等规格的步进电机。同
时，我们还应考虑电机的转速。因为，电机的输出转矩，与转速成反比关系。
就是说，步进电机在低速（每分钟几百转或更低转速），其输出转矩较大，
在高速旋转状态的转矩就很小了。当然，有些工作环境需要高速电机，就要
对步进电机的线圈电阻、电感等指标进行综合权衡。选择电感稍小一些的电
机，作为高速电机，能够获得较大输出转矩。反之，要求低速大力矩的情况
下，就要选择电感在十几或几十mH,电阻也要大一些为好。
第二步：步进电机空载启动频率，一般称为“空起频率”。这是选购步进电
机很重要的一项指标。如果要求在瞬间频繁启动、停止，并且，转速在1000
转/分钟左右或更高。最好选择反应式或永磁式步进电机，这些电机的“空起频
率”都比较高。
第三步：步进电机的相数选择，这项内容，很多客户几乎没有什么重视，
大多是随便购买。其实，不同相数的电机，工作效果是不同的。相数越多，
步距角就能够做的比较小，工作时的振动就相对小一些。大多数场合，使用
两相、三相、五相混合式步进电机的比较多。在高速大力矩的工作环境，选
择三相步进电机是很实用的。
第四步：防水防腐型步进电机能够防水、防油，适用于某些特殊场合。
例如水下机器人，就需要防水电机。75BYG 系列步进电机大多具有防水结构。
对于特种用途的电机，就要针对性选择了。
第五步：特殊规格的步进电机，通常需要和生产厂家沟通，在技术允许
的范围内，加工订做。例如，出轴的直径、长短、伸出方向等。
 No 2．步进电机的噪音控制方法
步进电机的运转难免会有很大的噪音，在工厂这些噪音其实不算什么，
工厂里多的是机械，各式各样的，一起运转，那么多的噪音，就好像在开一
场演唱会，只是是我们听不懂的，很刺耳的。
噪音大听不到不要紧，但是在工厂里面的操作工难免就要遭罪了，操作
工之间讲话都是问题，不用吼的是听不到了，久而久之，他们的听觉也会受到影响。那该如何减少这些机器的噪声呢？
第一，可以通过改变减速比等机械传动避开共振区；
第二，可以采用带有细分功能的驱动器；
第三，可以换成步距角更小的步进电机；
第四，可以换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声；
第五，可以在电机轴上加磁性阻尼器。
 No 3．步进电机调速注意特点
步进电机高速不能直接使用普通的交直流电源，需要专用的伺服控制器，
应注意以下特点：
1、可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价，位移与输入
脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，开环控制系统既简单又具有一定
的精度； 在要求更高精度时，也可以采用闭环控制系统。
2、由于步进电机无刷，因此本体部件少，可靠性高。
3、易于起动，停止，正反转，速度响应性好；停止时一般有自锁能力。
4、步距角可在大范围内选择，在小步距情况下，能够在超低转速下高转
距稳定运行，可以不经减速器直接驱动负载。
5、速度可在相当宽范围内平滑调节， 可以用一台控制器同时控制几台
步进电机完全同步运行。
6、步进电机带惯性负载能力较差，由于存在失步和共振问题，步进电机
的加减速方法在不同的应用状态下，情况较为复杂。
 No 4.如何减少电源对步进电机的干扰
步进电机在数字化的制造时代发挥了重要的用途，但是步进电机也并非
没有缺点，步进电机容易遭受到电流电压的影响，对接收机系统造成干扰，
使其不能够正常的工作。
那么对于这个问题该如何解决呢，专家建议可以加装电源滤波器，从而
减少对交流电源的污染；也可以将电源滤波器的地、驱动器、控制脉冲和方
向脉冲短接后的引出线、电机接地线、驱动器与电机之间电缆防护套、驱动
器屏蔽线均接到机箱壁上的接地柱上，并要求接触良好；其次也可以使用屏
蔽线减轻外界对自己的干扰，或电源线对外界的干扰。减少了对步进电机的
干扰，使其能够正常的工作。
 No 5.步进电机启动运行时失控与失步检查步骤
步进电机启动运行时失控与失步一般要考虑以下方面作检查：
1） 电机力矩是否足够大，能否带动负载，因此我们一般推荐用户选型
时要选用力矩比实际需要大50%~100% 的电机，因为步进电机不能过负载
运行，哪怕是瞬间，都会造成失步，严重时停转或不规则原地反复动。
2） 上位控制器来的输入走步脉冲的电流是否够大（一般要>10mA ），
以使光耦稳定导通，输入的频率是否过高，导致接收不到，如果上位控制器
的输出电路是CMOS 电路，则也要选用CMOS 输入型的步进驱动器。
3） 启动频率是否太高，在启动程序上是否设置了加速过程，最好从电
机规定的启动频率内开始加速到设定频率，哪怕加速时间很短，否则可能就
不稳定，甚至处于惰态。
4） 电机未固定好时，有时会出现此状况，则属于正常。因为，实际上
此时造成了电机的强烈共振而导致进入失步状态。电机必须固定好。
5） 对于5 相电机来说，相位接错，电机也不能工作。
 No 6.两相步进电机和四相步进电机有何不同
两相步进电机在定子上只有2 个绕组，4 根引出线，一般整步步距角为
1.8 度，半步步距角为0.9 度，驱动器只须通过对两相绕组电流通断进行控
制就可以了；而4 相步进电机在定子上有四个绕组，8 根引出线，整步为O.9
度，半步为0.45 度，驱动器需要对4 个绕组进行控制，电路的复杂性和成
本都会增加。因此，一般两相步进电机配两相驱动器，需要更小的步距角时，
可以采用细分驱动器。
有些公司将两相4 线和四相8 线的步进电机通称为两相步进电机，驱动
器也似乎只有两相的。这是因为，四相绕组两两并联或串联后就成为两相绕
组，四相电机就变成两相电机了，但串联或并联会使电机绕组电阻和电感成
倍变化，电机运行性能也会有明显变化。一般来说，四相并联成两相使用时，
电机有较好的加速性能，高速力矩保持得好，但是电机电流会是四相时的2
倍，发热较大，对驱动器输出能力的要求相应提高；而四相串联成两相使用时，
电机有较好的低速稳定性，噪声和发热较小，对驱动器要求不高但是高速力
矩损失较大。有些公司的驱动器全部安两相设计，四相步进电机必须改接成
两相才能使用。所以这些公司往往要问客户，希望电机接成串联的还是并联
的。以往，当8 线步进电机严格标成四相时，客户自然会认为四相电机和两
相驱动器不匹配，因此很多公司干脆将四相步进电机和两相步进电机均标成
两相。“两相步进电机和四相步进电机实质上是一回事”的真正道理就在于此。
 No 7.防止步进电机运行时出现失步和误差
步进电机是一种性能良好的数字化执行元件，在数控系统的点位控制中，
可利用步进电机作为驱动电机。在开环控制中，步进电机由一定频率的脉冲
控制。由PLC 直接产生脉冲来控制步进电机可以有效地简化系统的硬件电路，
进一步提高可靠性。由于PLC 是以循环扫描方式工作，其扫描周期一般在几
毫秒至几十毫秒之间，因此受到PLC 工作方式的限制以及扫描周期的影响，
步进电机不能在高频下工作。例如，若控制步进电机的脉冲频率为4000HZ，
则脉冲周期为0.25 毫秒，这样脉冲周期的数量级就比扫描周期小很多，如采
用此频率来控制步进电机。则PLC 在还未完成输出刷新任务时就已经发出许
多个控制脉冲，但步进电机仍一动不动，出现了严重的失步现象。若控制步
进电机的脉冲频率为100HZ，则脉冲周期为10 毫秒，与PLC 的扫描周期约
处于同一数量级，步进电机运行时亦可能会产生较大的误差。因此用PLC 驱
动步进电机时，为防止步进电机运行时出现失步与误差，步进电机应在低频
下运行，脉冲信号频率选为十至几十赫兹左右，这可以利用程序设计加以实
现。保证定位精度与提高定位速度之间的矛盾。
步进电机的转速与其控制脉冲的频率成正比，当步进电机在极低频下运
行时，其转速必然很低。而为了保证系统的定位精度，脉冲当量即步进电机
转一个步距角时刀具或工作台移动的距离又不能太大，这两个因素合在一起
带来了一个突出问题：定位时间太长。例如若步进电机的工作频率为20HZ，
即50ms 走一步，取脉冲当量为δ＝0.01mm/步，则1 秒钟刀具或工作台移动
的距离为20x0.01＝0.2mm，1 分钟移动的距离为60x0.2＝12mm，如果定位
距离为120mm，则定位时间需要10 分钟，如此慢的定位速度在实际运行中
是难以忍受的。
为了保证定位精度，脉冲当量不能太大，但却影响了定位速度。因此如
何既能提高定位速度，同时又能保证定位精度是一项需要认真考虑并切实加
以解决的问题。
No 8.步进电机的启动频率为什么不能过高
步进电机的起动频率不能过高，这是因为步进电机刚起动时转速为零，
在起动过程中，电磁转矩除了克服负载阻转矩外，还在克服转动部分的惯性
掩蔽，所以起动时电机的负担比连续运转为重。
如果起动时脉冲频率过高，则转子的速度就跟不上定子磁场旋转的速度，
以致第一步完了的位置落后于平衡位置较远，以后各步中转子速度增加不多，
而定子磁场仍然以正比于脉冲频率的速度向前转动，因此转子与平衡位置之
间的距离越来越大，最后因转子位置落到动稳定区以外而出现失步或是振荡
现象，因而使电机不能起动。
为了能正常起动，起动频率不能过高，当电机起动后再逐步升高频率。

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