步进电机基础总结

步进电机基础总结

步进电机是数字系统中一种十分重要的自动化执行元件,目前广泛应用于贴片机，3D打印机、雕刻机、激光切割机等产品中，具有广阔的前景。

一、电机分类

二、步进电机介绍
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

三、步进电机的原理
步进电机在构造上有三种主要类型，反应式、永磁式和混合式。按定子上绕组来分，又可分为两相、三相和五相等系列。最受欢迎的是两相混合式步进电机。
当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一个角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可以控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

四、步进电机技术指标
1、静态指标
A、相数：指电机内部的线圈组数，目前常用的有二、三、四、五相步进电机。
B、步距角：表示控制系统每发一个脉冲信号，电机所转动的角度。如42D4042型号的电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°，整步工作时为1.8°）
C、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指电机转过一个步距角所需脉冲数。
D、定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）
E、保持转矩：指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。

2、步进电机动态指标
A、步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。
B、失步：电机运转时运转的步数不等于理论上的步数。
C、失调角：转子齿轴线的角度，电机运转必存在的失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
D、最大空载启动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接启动的最大频率。
E、最大空载运行频率：电机在某种驱动形式。电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。
F、运行距频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行距频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要，也是电机选择的根本依据。
G、电机的共振点：步进电机均有固定的 共振区域，步进电机的共振区一般在50rpm~80rpm之间或180rpm左右，电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出力矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。

六、细分驱动
原理：通过改变定子线圈的电流比例，让转子在旋转过程中，可以额停靠在一个整步中的不同位置，把一个整步分成多个小步来跑。
特点：转动流畅、精度高、转矩大的特点，但控制复杂，一般需要专用芯片来实现。

七、电机损耗
通常的电机内部都有铁芯和绕组线圈。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，这就是常说的铜损。如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁芯有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料、电流、频率、电压有关，这叫铁损。
铁损和铜损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且比一般的交流电机严重。

八、步进电机的优点
1、寿命比较长。
2、开环控制即可达到较高的精度，是低成本数控系统的首选。
3、没有累计误差。
4、可以不接减速器直接带载。

九、步进电机缺点
1、低速转动时振动和噪声都比较大；
2、输出力矩随着转速升高而降低；
3、启动频率不能太高，否则会堵转并伴随呼啸声；
4、速度突变较大时存在丢步和过冲现象；
5、开环控制，不能完全保证实际运动效果与给定的一致。