步进电机及控制技术分享20231212董玉超

步进电机及控制技术分享汇报人：董玉超日期：2023/12/12故障现象原因分析解决方案1目录/CONTENT23一.理论基础法拉第电磁感应定律：电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。这就是法拉第电磁感应定律。公式为：E＝-nΔΦ/Δt(n为线圈匝数)。这是法拉第电磁感应定律最普遍的表达式，表明了感应电动势的大小取决于磁通量变化的快慢和线圈匝数n。楞次定律：闭合回路中感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，感应电流产生的磁场与初始磁场的变化相反，电磁感应定律中的负号，其实就是表明感应电动势的方向。步进电机的反电动势：电机的反电动势(BackElectromotiveForce,简称EMF)是指在电机运行过程中,由于电机旋转而产生的感应电动势。当电机运行时,电流通过电机的线圈,根据法拉第电磁感应定律,线圈中会产生一个磁场。同时,由于电机的旋转运动,磁场的变化会导致线圈中产生感应电动势,这个感应电动势就是反电动势。一.理论基础

一.理论基础对于电动机产品，转子部分产生的反电动势是电动机做功的关键要素之一，反电动势是由于转子部分中的电流和磁场相互作用而产生的，它会抵消输入的电能，从而限制电机的转速。虽然反电动势消耗了电路中的电能，但并不是一种“损耗”，而是对电能的一种自然反应。与反电动势对应的那部分电能实际上是被转化为了用电设备的能量输入。这是因为电动机的旋转运动是通过转子部分产生的，而这个旋转运动可以用来驱动其他设备运转。电机运动最终用功率来表征，所谓的能量守恒。当电机启动之初，静态扭矩最大，由于转速为0，反电动势也为0。电机功率除了铜损和铁损发热外都以电机扭矩的形式转换为有用功。当随着步进电机速度增大，反电动势也增加，阻碍线圈输出电流以扭矩形式做功。当增大到一定程度，反电动势最大，绕组线圈电流为0，扭矩降为0。这时能量又达到一个平衡，除了铁芯涡流损耗之外，就是反电动势的能量。一.理论基础所以电机的反电动势大小可以用来表征电机的实际工作输出能力和效率。即反电动势大小可用来表征步进电机静态扭矩大小电动机的感应电动势公式：E=4.44*f*N*Φ（MOONS）E为线圈电动势、f为频率、S为环绕出的导体（例如铁芯）横截面积、N为匝数、Φ是磁通。

磁通量计算公式Φ=B*S*COSθ当面积为S的平面与磁场方向垂直时，角θ为0，COSθ就等于1，公式就变成Φ=B*S。

电动机的输出功率P=EI=4.44*f*N*Φ*I通过公式可知:匝数大，磁通大，电感就大，反电动势大。一.理论基础定子转子一.电机发热电机发热主要是有转子的铁损和铜线绕组的铜损（绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比）UL引起，低速300-500RPM主要是铜损，大于500RPM主要是铁损。在电机正常工作时，电动机的反电动势与输入电压之间存在着平衡关系，即反电动势等于输入电压减去电动机的电压降。

电机分压公式：U=E+UR+UL

UR=IR

UL=ωLI=2πf×L×I=2πf×Uc×N^2A/Lc×IL=Uc×N^2A/LcL:电感Uc:铁芯磁导率N：线圈匝数A：磁路面积LC：磁路长度

通过以上公式可知，电机发热主要跟电流，电压、匝数和转速等有关，低速时如果想降低电机发热可以通过降低电流，匝数，有时为了保证电机的输出扭力不降，所以降低发热只能通过降低铜线内阻，改善定子铁芯材料来实现。

高速转矩策略鸣志分压公式UR可以理解为：实际输出扭矩功率=实际绕组工作电流I×内阻R可以解释降低匝数增大电流来提高高速实际输出扭矩的策略。通过以上分析，也更好理解下面扭矩和反电动势曲线。

高速转矩策略

高速转矩策略

矩频曲线从以上两个图标结合反电动势公式、电感公式和分压公式，为了提高高速转矩，其他参数不变的情况下，降低电机电感（匝数）量，提高实际输出电流可以提高高速转矩。（注意区分静态扭矩和反电动势正相关，但是运动扭矩由于电机线圈铜损、铁损和电流的原因会有差异，变化趋势是正相关的）正常电机厂家官网会提供速度力矩曲线供选型参考。

转速计算如何根据项目需求来选定转速呢，下面是计算结果：

根据以上图表计算的所需转速，还要结合力矩曲线，保证在此转速下输出力矩足够，不然会出现打印丢步的现象。同时也可以根据反电动势公式要求厂家通过改变电机绕组匝数，材质，转子及气隙大小，铁氧磁芯材质等提升整体转矩。

保持力矩测量比如1.8A电机，同样的图纸要求，鸣志通过改善电机工艺，在较低相电感的情况下可以将保持力矩提高，这样高速扭矩也会有优势。实际测试结果鸣志也占优。步进电机经验总结步进电机使用条件600RPM到顶了，再快因为力矩的衰减已没太大意义。300