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步进电机知识详解，再也不怕看不懂步进电机了

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。作为电力人对步进电机的也不能于认识而已，应该深入了解它的结构、基本原理以及应用，将从三个方面带大家全面认识步进电机。

PART1.

01
什么是步进电机

步进电机是一种直接将电脉冲转化为机械运动的机电装置， 通过控制施加在电机线圈上的电脉冲顺序、 频率和数量， 可以实现对步进电机的转向、速度和旋转角度的控制。在不借助带位置感应的闭环反馈控制系统的情况下、 使用步进电机与其配套的驱动器共同组成的控制简便、低成本的开环控制系统， 就可以实现jingque的位置和速度控制。

02
基本结构和工作原理

基本结构：

 
工作原理：步进电机驱动器根据外来的控制脉冲和方向信号， 通过其内部的逻辑电路， 控制步进电机的绕组以一定的时序正向或反向通电，使得电机正向/反向旋转， 或者锁定。
以1.8度两相步进电机为例：当两相绕组都通电励磁时，电机输出轴将静止并锁定位置。在额定电流下使电机保持锁定的大力矩为保持力矩。如果其中一相绕组的电流发生了变向，则电机将顺着一个既定方向旋转一步（ 1.8度）。

同理， 如果是一项绕组的电流发生了变向， 则电机将顺着与前者的方向旋转一步（1.8度）。当通过线圈绕组的电流按顺序依次变向励磁时， 则电机会顺着既定的方向实现连续旋转步进，运行精度非常高。对于1.8度两相步进电机旋转一周需200步。
两相步进电机有两种绕组形式：双极性和单极性。双极性电机每相上只有一个绕组线圈， 电机连续旋转时电流要在同一线圈内依次变向励磁，驱动电路设计上需要八个电子开关进行顺序切换。

单极性电机每相上有两个极性的绕组线圈，电机连续旋转时只要交替对同一相上的两个绕组线圈进行通电励磁。驱动电路设计上只需要四个电子开关。在双极性驱动模式下，因为每相的绕组线圈为励磁， 双极性驱动模式下电机的输出力矩比单极性驱动模式下提高了约40%。

PART2.

01
负载

A. 力矩负载 (Tf)Tf = G * rG： 负载重量r： 半径
B. 惯量负载 (TJ)TJ = J * dw/dtJ = M * (R12+R22) / 2 (Kg * cm)M: 负载质量R1: 外圈半径R2: 内圈半径dω/dt: 角加速度




02
速度-力矩曲线

速度-力矩曲线是步进电机输出特性的重要表现形式。
A. 工作频率点电机在某一点的转速值。n = q * Hz / (360 * D)n:转/秒Hz: 频率值D: 驱动电路细分值q: 步距角
例如： 距角1.8°的步进电机， 在 1/2细分驱动方式下(即每步 0.9°) ， 工作频率 500Hz 时的转速为1.25r/s.

B.  自启动区域步进电机可以直接启动和停止的区域。
C. 连续运行区域在该区域内， 电机无法直接启动或停止。 电机在该区域内运行必须先经过自启动区域， 经过加速达到该工作区域运行。 同理， 电机在该区域内也无法直接制动， 否则容易造成电机失步， 必须先经减速到达自启动区域内再制动。
D.  高启动频率电机空载状态下， 保证电机不丢步运行的大脉冲频率。
E.  高运行频率空载情况下， 已励磁电机运行而不丢步的高脉冲频率。
F.   启动力矩/牵入力矩满足步进马达在一定脉冲频率下启动并开始运行， 不失步的大负载力矩。
G.  运行力矩/牵出力矩满足步进马达在一定脉冲频率下稳定运行， 不失步的大负载力矩。

03
加速/减速运动控制
当电机运行频率点在速度-力矩曲线的连续运行区域内时， 如何缩短电机启动或停止时的加速或减速时间， 使电机更长时间地运行在佳速度状态， 从而提高电机的有效运行时间是非常关键的。
如下图所示， 步进电机的动态力矩特性曲线， 低速运行时曲线为水平直线状态； 高速运行时， 由于受到电感的影响， 曲线发生了指数下降。
A. 低转速状态下的直线加速运行已知电机负载为TL， 假设想从F0 在短时间 (tr)内加速到F1， 如何来计算短时间 t r ?
(1) 通常情况下 TJ = 70%Tm(2) tr = 1.8 * 10 -5 * J * q * (F1-F0)/(TJ -TL)(3) F (t) = (F1-F0) * t/tr + F0, 0<t<tr
B. 高转速状态下的指数加速运行(1) 通常情况下TJ0 = 70%Tm0TJ1 = 70%Tm1TL = 60%Tm1

(2)tr = F4 * In [(TJ 0-TL)/(TJ 1-TL)]
(3)F (t) = F2 * [1 – e^(-t/F4)] + F0, 0<t<trF2 = (TL-TJ 0) * (F1-F0)/TJ 1-TJ 0)F4 = 1.8 * 10-5 * J * q * F2/(TJ 0-TL)备注：J表示电机转子加负载时的转动惯量。q表示每一步的转动角度， 在整部驱动时就是指电机的步距角。在减速运行时， 只需将上述的加速脉冲频率反转过来计算就可以了。

04
振动与噪音
一般来讲， 步进电机在空载运行情况下， 当电机的运行频率接近或等于电机转子的固有频率时会发生共振，严重的会发生失步现象。

针对共振的几种解决方案:A. 避开振动区：使电机的工作频率不落在振动范围内

B. 采用细分的驱动模式：使用微步驱动模式， 将原来的一步细分为多步运行， 提高电机的每步分辨率，从而降低振动。这可以通过调整电机的相电流比来实现的。微步并不会增加步距角jingque度， 却能使电机运行更加平稳，噪音更小。一般电机在半步运行时， 力矩会比整步时小15%， 而采用正弦波电流控制时， 力矩将减小30%。

PART3.

01命名规则

AM

17

HD

0

0

01

-

01

1

2

3

4

5

6

7

1

产业机器专用系列

2

机座号

电机外形尺寸 ( 机座尺寸为英制尺寸的 10 倍 )(6:14mm; 8:20 mm; 11:28mm; 14:35mm;17:42mm; 23:56mm; 24:60mm;34:86mm; 42:110mm)

3

步距角代号

HY, HS, HD: 步距角 1.8°

4

铁芯长度代号

5

引线数量

0: 表示插座式电机4: 引出线 4 根8: 引出线 8 根

6

性能代号

表示电机的电流，力矩等性能参数

7

机械代号

表示电机的出轴、引线、螺钉、刹车器及编码器等机械参数-E1000D 编码器型、 -PGXX 减速机型、 -BR01永磁式制动器型

02接线图

03一般规格

规格

电机部分

步距角精度

±5% ( 测试条件：恒流驱动器 /24V/ 两相通电 / 额定电流 / 整步速度：1rps)

绝缘等级

B 级 (130°C)

使用环境（运行时）

环境温度

-20 ～ +50°C ( 无结冰 )

环境湿度

85% 以下 ( 无结露 )

介质环境

无腐蚀性气体及尘埃。不直接接触水、 油等（标准型保护等级 IP65 规格：无腐蚀性气体。不直接接触油。）

温度上升

温升小于 80°C ( 温升是指在一定环境温度条件下，线圈温度增加的大值。绕组温度的测试采用电阻法。在恒压驱动模式下，驱动电压为额定电压， 两相通电， 转速为 0pps。在恒流驱动模式下，驱动电流为额定电流， 两相通电， 转速为空载起动频率。散热板：铝板 160×160×t1.6(mm))

径向跳动

0.050T.I.R.(mm)

径向窜动

0.02mm Max.(500gf)

轴向窜动

0.08mm Max.(500gf)

安装法兰相对于转轴的同轴度

0.075T.I.R.(mm)

安装面相对于转轴的垂直度

0.100T.I.R.(mm)

04转轴负载条件(单位：N)

机座型号

允许径向负载(距轴端的距离 L)

允许轴向负载

0mm

5mm

10mm

15mm

20mm

6HY

12

15

20

---

---

电机本身重量以下

8HY

12

15

20

---

---

11HS

20

25

34

52

---

14HS

20

25

34

52

---

17HD

20

25

34

52

---

23HS

50

60

75

100

150

24HS

61

73

90

110

160

34HD

260

290

340

390

480

42HS

390

435

510

585

720