步进电机运行特性分析

1、3.4 3.4 步进电动机的运行特性及使用步进电动机的运行特性及使用3.4.1 3.4.1 步进电机的运行特性及影响因素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一、步进电动机的基本控制特点1 1、角度控制：、角度控制：每输入一个脉冲，定子绕组换接一次，输每输入一个脉冲，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。的角位移与输入脉冲数成正比。2 2、速度控制：、速度控制：各相绕组不断地轮流通电，步进电动机就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

2、脉冲频率连续转动。反应式步进电动转速只取决于脉冲频率f f、转、转子齿数子齿数z z和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。当和拍数，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，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。调速范围很宽。二、步进电机的矩角特性二、步进电机的矩角特性 1、概念、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置且固定不动时电磁转矩随偏转角

3、（电角度不同位置且固定不动时电磁转矩随偏转角（电角度e）的变化）的变化关系。关系。定子一相绕组通以直流电后，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用，转子齿和通电相磁极上的小齿对齐，这个位置称为步进小齿对齐，这个位置称为步进电动机的初始平衡位置。如图电动机的初始平衡位置。如图所示：所示：2 2、空间角和电角度的关系、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若用外力（静负载转矩不为零）使转子错开初始平衡位置一个角度。转子齿偏离初始平衡位置的角度就叫转子位置一个角度。转子齿偏离初始平衡位置的角度就叫转子偏

4、转角偏转角( (空间角空间角) )，若用电角度，若用电角度ee表示，则由于定子每相表示，则由于定子每相绕组通电循环一周绕组通电循环一周(360(360电角度电角度) )，对应转子在空间转过一，对应转子在空间转过一个齿距个齿距(空间角空间角)，则，则e=z，即电角度是空间角度的，即电角度是空间角度的 Z Z 倍倍. .3 3、矩角特性曲线、矩角特性曲线 1 1）最大静转矩）最大静转矩Tsmax Tsmax 2 2）TL(0.30.5) TsmaxTL(0.30.5) Tsmax三、单步运行特性三、单步运行特性1 1）静稳定区（）静稳定区（-，）2 2）动稳定区）动稳定区（-+be , +be-+

5、be , +be）3 3）稳定运行条件）稳定运行条件-+be +be-+be tbTtb 控制脉冲周期控制脉冲周期T T大于转子单步运行振荡衰减时间大于转子单步运行振荡衰减时间tbtb，当，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。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。电机处于欠阻尼状态，产生振荡，不会失步和越步。见图见图3.203.20极低频运行规律极低频运行规律（2 2）低频条件下运行）低频条件下运行1/tbf4f01/tbf4f0f4f0条件下运行条件下运行转子的运行特点转子的运行特点：在第一个脉冲作用下，转子产生的

6、：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。见图通电状态。见图, ,电机往往会超出稳定区而失步。电机往往会超出稳定区而失步。OT2T3T4Tbe2be3be4be高频运行转子运动规律高频运行转子运动规律失步：失步： 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。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，电动机就个步距角，即前进一步。若连续地输入控

7、制脉冲，电动机就相应地连续转动。相应地连续转动。步进电动机失步包括丢步和越步。丢步时步进电动机失步包括丢步和越步。丢步时，转子前进的步数，转子前进的步数小于脉冲数；小于脉冲数；越步时越步时，转子前进的步数多于脉冲数。一次丢，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置上或围绕一个位置振动。使转子停留在一个位置上或围绕一个位置振动。 补充内容补充内容失步原因及解决方法失步原因及解决方法 1 1转子的加速度慢于步进电动机的旋转磁场。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，

8、步进电动机会产生失步。这是因为输入电动即低于换相速度时，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，态输出转矩随着连续运行频率的上升而降低，因而，凡是比该频凡是比该频率高的工作频率都将产生丢步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。这种失步说明步进电动机的转矩不足，拖动能力不够。不足，拖动能力不够。 解决方法：解决方

9、法：使步进电动机本身产生的电磁转矩增大。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。电动机等。使步进电动机需要克服的转矩减小。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。矩；设定较长的加速时间，以便转子获得足够的能量。 2 2转子的平均速

10、度高于定子磁场的平均旋转速度。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，从而使电动机而使电动机越步越步。当用步进电动机驱动那些使负载。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。为负载向下运动时，电动机所需的转矩减小。 解决方法解决

11、方法：减小步进电动机的驱动电流，以便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。降低步进电动机的输出转矩。 3 3步进电动机及所带负载存在惯性由于步进电动机自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，而是在起动时出现能立即起动和停止，而是在起动时出现丢步丢步，在停止，在停止时发生时发生越步越步。 解决方法：解决方法：通过一个加速和减速过程，即以较低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，再逐渐的速度起动，而后逐渐加速到某一速度运行，再逐渐减

12、速直至停止。进行合理、平滑的加减速控制是保证减速直至停止。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。步进驱动系统可靠、高效、精确运行的关键。 4 4步进电动机产生共振步进电动机产生共振, ,共振也是引起失步的一个原因。共振也是引起失步的一个原因。 步进电动机处于步进电动机处于连续运行状态连续运行状态时，如果控制脉冲的频时，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

13、导致步进电到，因而在共振频率附近动态误差最大并会导致步进电动机动机失步。失步。 解决方法：解决方法：适当减小步进电动机的驱动电流；采用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，避免失步现象发生方法都能有效消除电动机振荡，避免失步现象发生 。五、脉冲信号的频率对电机运行的影响五、脉冲信号的频率对电机运行的影响 当脉冲信号频率当脉冲信号频率很低时很低时，控制脉，控制脉冲以矩形波输入，电流波形比较接近冲以矩形波输入，电流波形比较接近于理想的于理想的矩形波矩形波； 随着脉冲信号频率增高，

14、由于电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，越高，畸变越严重。如图所示， 如果脉冲频率过高，电流还来不如果脉冲频率过高，电流还来不及上升到稳定值及上升到稳定值I I 就开始下降，于是，就开始下降，于是，电流的幅值降低电流的幅值降低( (由由I I下降到下降到I)I)，因，因而产生的转矩减小，致使带负载的能而产生的转矩减小，致使带负载的能力下降。故力下降。故频率过高会使步进电动机频率过高会使步进电动机启动不了或运行时失步而停下启动不了或运行时失步而停下

15、。因此，。因此，对脉冲信号频率是有限制的。对脉冲信号频率是有限制的。六、转子机械惯性对步进电动机运行的影响六、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，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。脉冲频率过高，电动

16、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置，而是受机械惯性的作用，要经过几次停留在相应的位置，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，就可能引起振荡后才停下来，如果这种情况严重，就可能引起失步失步。因此，步进电动机都采用因此，步进电动机都采用阻尼方法阻尼方法，以消除以消除( (或减弱或减弱) )步进步进电动机的振荡电动机的振荡。3.4.2 3.4.2 步进电动机的主要性能指标和应步进电动机的主要性能指标和应用用1 1步进电动机的主要性能指标步进电动机的主要性能指标 1 1）步距角）步

17、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，则步距角应满足应满足=iTTLmax ,Lmax ,式中，式中，T TSTST步进电动机启动转矩；步进电动机启动转矩；T TLmaxLmax最大静负载转矩。最大静负载转矩。通常取通常取T TLmaxLm

18、ax =(0. 30.5)T =(0. 30.5)TSTST以便有相当的力矩储备。以便有相当的力矩储备。3 3）启动频率（响应频率）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，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。负载启动频率启动频率因负载不同而异。负载启动频率f fq q比空载启动频率比空载启动频率f fostost大很多。因此，在选用电动机时应该注意到这一点大很多。因此，在选用电动机时应该注意到这一点, ,启动启动频率

19、反映了步进电机跟踪的快速性。频率反映了步进电机跟踪的快速性。4 4）精度）精度精度是用一周内最大的精度是用一周内最大的步距角误差值步距角误差值表示的。表示的。应满足应满足=i(=i(L L) )式中，式中， L L负载轴上所允许的角度误差。负载轴上所允许的角度误差。5 5）连续运行频率）连续运行频率fcfc和矩频特性和矩频特性步进电动机步进电动机运行频率连续上升运行频率连续上升时，电动机时，电动机不失步运行的最高频率不失步运行的最高频率称为称为连续运行频率连续运行频率f fc c，它的值也与负载有关。在同样负载下，它的值也与负载有关。在同样负载下，运行频率运行频率f fc c远大于启动频率。远大于启动频率。f fc c反映了步进电机的最高运行