步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。
关键词：步进电机,选择,工作原理,控制电路
选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。
选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所
决定。
选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。
选择步进电机需要进行以下计算：
（1）计算齿轮的减速比
根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下:
i=(φ.S)/(360.Δ) (1-1) 式中φ ---步进电机的步距角（o/脉冲）
S ---丝杆螺距（mm)
Δ---(mm/脉冲）
（2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。
Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2] （1-2）
式中Jt ---折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2)
J1、J2 ---齿轮惯量(Kg.cm.s2)
Js ----丝杆惯量(Kg.cm.s2) W---工作台重量（N）
S ---丝杆螺距（cm）
（3）计算电机输出的总力矩M
M=Ma+Mf+Mt （1-3）
Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2 （1-4）
式中Ma ---电机启动加速力矩（N.m)
Jm、Jt---电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2)
n---电机所需达到的转速（r/min）
T---电机升速时间（s）
Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2 （1-5）
Mf---导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m)
u---摩擦系数
η---传递效率
Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2 （1-6）
Mt---切削力折算至电机力矩（N.m)
Pt---最大切削力（N）
（4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为
fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)] 1/2 （1-7）
式中fq---带载起动频率（Hz）
fq0---空载起动频率
Ml---起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m)
若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算.
（5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应
能驱动负载，并留有足够的余量。
（6）负载力矩和最大静力矩Mmax。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与Mt之和，并留有余量。一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.2 ～
0.4)Mmax.
步进电机和交流伺服电机是运动控制系统中最常用的两种执行电动机。在电机选型过程中，必须首先计算出负载通过机械传动系统对电机轴的折算扭矩（T折），下面就几中常见的机械传动方式介绍折算
扭矩（T折）的计算过程。
1、重物提升
T折= (m×g×D) /(2×i) [N.m]
2、丝杠螺母传动
T折= 1/I((F×t)/(2×π ×η)+Tb) [N.m] F=F0+μmg [N]
3、同步带或齿轮齿条传动
T折=(F×D)/( 2×i ×η) [N.m] F=F0+μmg [N]
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步进电机的计算与选型 对于步进电动机的计算与选型，通常可以按照以下几个步骤： 1) 根据机械系统结构，求得加在步进电动机转轴上的总转动惯量eq J ; 2) 计算不同工况下加在步进电动机转轴上的等效负载转矩eq T ； 3) 取其中最大的等效负载转矩，作为确定步进电动机最大静转矩的依据； 4) 根据运行矩频特性、起动惯频特性等，对初选的步进电动机进行校核。 1. 步进电动机转轴上的总转动惯量eq J 的计算 加在步进电动机转轴上的总转动惯量eq J 是进给伺服系统的主要参数之一，它对选择电动机具有重要意义。eq J 主要包括电动机转子的转动惯量、减速装置与滚珠丝杠以及移动部件等折算到电动机转轴上的转动惯量等。 2. 步进电动机转轴上的等效负载转矩eq T 的计算 步进电动机转轴所承受的负载转矩在不同的工况下是不同的。通常考虑两种情况：一种情况是快速空载起动（工作负载为0），另一种情况是承受最大工作负载。 （1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩eq1T eq1amax f 0T =T +T +T (4-8) 式中 amax T ——快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩，单位为N ·m ； f T ——移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，单位N ·m ； 0T ——滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，单位为N ·m 。 具体计算过程如下： 1）快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： amax eq 2T =J =60eq m a J n t πε （4-9） 式中 eq J ——步进电动机转轴上的总转动惯量，单位为2kg m ?； ε——电动机转轴的角加速度，单位为2/rad s ； m n ——电动机的转速，单位r/min ； a t ——电动机加速所用时间，单位为s ，一般在0.3~1s 之间选取。 2）移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： f T =2F i πη摩h P （4-10）
步进电机参数及含义 1、步进角： 当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它所驱动步进电机按设定的方向转动的一个固定角度。 2、保持转矩（HOLDING TORQUE）： 保持转矩（HOLDING TORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。 3、DETENT TORQUE： DETENT TORQUE是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。 4、精度： 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 5、空载启动频率： 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 6、四相混合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接： 四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍，因而电机发热较大。 7、纹波电压： 纹波电压一般是指直流电源输出端含有交流电压是多少V，属称纹波电压或纹波系数。 8、如何确定步进电机驱动器的直流供电电源： A.电压的确定 混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为12～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。 B.电流的确定 供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I的1.1～1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I的1.5～2.0倍。
步进电机——步进电机选型的计算方法 步进电机选型表中有部分参数需要计算来得到。但是实际计算中许多情况我们都无法得到确切的机械参数，因此，这里只给出比较简单的计算方法。 ◎驱动模式的选择 驱动模式是指如何将传送装置的运动转换为步进电机的旋转。 下图所示的驱动模式包括了电机的加/减速时间，驱动和定位时间，电机的选型基于模式图。 ●必要脉冲数的计算 必要脉冲数是指传动装置将物体从起始位置传送到目标位置所需要提供给步进电机的脉冲数。必要脉冲数按下面公式计算： 必要脉冲数＝ 物体移动的距离 距离电机旋转一周移动的距离× 360 o 步进角 ●驱动脉冲速度的计算 驱动脉冲速度是指在设定的定位时间中电机旋转过一定角度所需要的脉冲数。 驱动脉冲数可以根据必要脉冲数、定位时间和加/减速时间计算得出。 （1）自启动运行方式 自启动运行方式是指在驱动电机旋转和停止时不经过加速、减速阶段，而直接以驱动脉冲速度启动和停止的运行方式。 自启动运行方式通常在转速较低的时候使用。同时，因为在启动/停止时存在一个突然的速度变化，所以这种方式需要较大的加/减速力矩。 自启动运行方式的驱动脉冲速度计算方法如下： 驱动脉冲速度[Hz]= 必要脉冲数[脉冲]
定位时间[秒] （2）加/减速运行方式 加//减速运行方式是指电机首先以一个较低的速度启动，经过一个加速过程后达到正常的驱动脉冲速度，运行一段时间之后再经过一个减速过程后电机停止的运行方式。其定位时间包括加速时间、减速时间和以驱动脉冲速度运行的时间。 加/减速时间需要根据传送距离、速度和定位时间来计算。在加/减速运行方式中，因为速度变化较小，所以需要的力矩要比自启动方式下的力矩小。加/减速运行方式下的驱动脉冲速度计算方法如下： 必要脉冲数－启动脉冲数[Hz]×加/减速时间[秒] 驱动脉冲速度[Hz]= 定位时间[秒]－加/减速时间[秒] ◎电机力矩的简单计算示例 必要的电机力矩＝（负载力矩+加/减速力矩）×安全系数 ●负载力矩的计算（TL） 负载力矩是指传送装置上与负载接触部分所受到的摩擦力矩。步进电机驱动过程中始终需要此力矩。负载力矩根据传动装置和物体的重量的不同而不同。许多情况下我们无法得到精确的系统参数，所以下面只给出了简单的计算方法。 负载力矩可以根据下面的图表和公式来计算。 （1）滚轴丝杆驱动
步进电机基本知识(2009-01-08 13:51:30) 1、步进电机：是一种将电脉冲转化为角位移或线位移的执行机构。其特点是没有积累误差（精度为100%），广泛应用于各种开环控制。 2、步进电机分类：永磁式（PM），反应式（VR），混合式（HB）。 3、保持转矩：是指步进电机通电，但没有转动时，定子锁住转子的力矩。 4、精度：为步进角的3～5%，且不累积。 5、细分驱动器：是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机的运转的。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。对于2，4相电机，细分后的步距角等于电机的整步步距角除以细分数。对于3相反应式电机，细分后的步距角等于电机的半步步距角除以细分数。 6、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°，整步工作时为1.8°）此步距角为电机固有步距角。 7、相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。 8、失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 9、最大空载起动频率：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，能够直接起动的最大频率。 10、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。 11、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。 12、电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。方向由导电顺序决定。控制步进脉冲信号的频率，可以对电机进行精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机进行精确定位。
13、步进电机驱动器：是把计算机控制系统提供的弱信号放大为步进电机能够接受的强电流信号。 14、拍数：是完成一个磁场周期性变化所需脉冲数。指电机转过一个齿距角所需脉冲数。 15、脱机信号free：此信号为选用信号，并不是必须要用的，只有在一些特殊情况下使用，此端为低电平有效，这时电机处于无力矩状态；此端为高电平或悬空不接时此功能无效，电机可正常运行，此功能若用户不采用，只需将此端悬空即可。 16、CP脉冲宽度一般要求不小于2us。 17、CP电平方式：对于共阳接法的驱动器要求为负脉冲方式，脉冲状态为低电平，无脉冲时为高电平；对于共阴接法的驱动器要求为正脉冲方式，脉冲状态为高电平，无脉冲时为低电平。 18、dir信号：一定要在电机降速停止后再换向。 19、步进电机在启动时，必须有升速过程；在停止时必须有降速过程，一般来说升速过程和降速过程规律相同。特例：步进电机运行速度不超过突跳频率，这时不存在升降速问题。 20、自动半电流功能：驱动机在步进脉冲信号停止施加2S左右，会自动进入半电流状态，这时电机相电流为运行时的一半，以减少功耗和保护电机。 21、细分优点：完全消除了电机的低频振荡。 22、步进电机的工作性能在很大程度上取决于所使用的驱动电路的类型和参数。 23、常用的有两相，四相混合式步进电机。 24、电机是有内阻的感性负载。 25、步进电机驱动方式：恒压，恒流，恒流斩波，使同样电机输出更大速度和功率。 26、步进电机启动：A、低初速度，低加速度阶段
1/17 AN1495 APPLICATION NOTE 1INTRODUCTION Microstepping a stepper motor may be used to achieve one or both of two objectives; 1) increase the position resolution or 2) achieve smoother operation of the motor. In either case the basic the-ory of operation is the same. The simplified model of a stepper motor is a permanent magnet rotor and two coils on the stator separated by 90 degrees, as shown in Figure 1. In classical full step operation an equal current is delivered to each of the coils and the rotor will align itself with the resulting magnetic vector along one of the 45 degree axis. To step the motor, the current in one of the two coils is reversed and the rotor will rotate 90 degrees. The complete full step sequence is shown in figure 2. Half step drive,where the current in the coil is turned off for one step period before being turned on in the opposite direction, has been used to double the step resolution of a motor. In either full and half step drive,the motor can be positioned only at one of the 4 (8 for half step) defined positions.[4][5] Therefore,the number of steps per electrical revolution and the number of poles on the motor determine the resolution of the motor. Typical motors are designed for 1.8 degree steps (200 steps per revolution)or 7.5 degree steps (48 steps per revolution). The resolution may be doubled to 0.9 or 3.75 degrees by driving the motor in half step. Further increasing the resolution requires positioning the rotor at positions between the full step and half step positions. Figure 1. Model of stepper motor MICROSTEPPING STEPPER MOTOR DRIVE USING PEAK DETECTING CURRENT CONTROL Stepper motors are very well suited for positioning applications since they can achieve very good positional accuracy without complicated feedback loops associated with servo sys-tems. However their resolution, when driven in the conventional full or half step modes of operation, is limited by the configuration of the motor. Many designers today are seeking alternatives to increase the resolution of the stepper motor drives. This application note will discuss implementation of microstepping drives using peak detecting current control where the sense resistor is connected between the bottom of the bridge and ground. Examples show the implementation of microstepping drives with several currently available chips and chip sets. REV . 2AN1495/0604
步进电机的基本参数定义 电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如FY56ES300A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机工作时的实际步距角，实际步距角和驱动器有关。 步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电动机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。步进电动机增加相数能提高性能，但步进电机的结构和驱动电源都会更复杂，成本也会增加。 保持转矩（HOLDING TORQUE）：也叫最大静转矩，是在额定静态电流下施加在已通电的步进电机转轴上而不产生连续旋转的最大转矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电动机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电动机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参
数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m 的步进电动机。 步距精度：可以用定位误差来表示，也可以用步距角误差来表示。 矩角特性：步进电机的转子离开平衡位置后所具有的恢复转矩，随着转角的偏移而变化。步进电动机静转矩与失调角的关系称为矩角特性。 静态温升：指电机静止不动时，按规定的运行方式中最多的相数通以额定静态电流，达到稳定的热平衡状态时的温升。 动态温升：电机在某一频率下空载运行，按规定的运行时间进行工作，运行时间结束后电机所达到的温升叫动态温升。 转矩特性：它表示电机转矩和单相通电时励磁电流的关系。 启动矩频特性：启动频率与负载转矩的关系称为启动矩频特性。 升降频时间：指电机从启动频率升到最高运行频率或从最高运行频率降到启动频率所需的时间。 DETENT TORQUE：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易产生误解；反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。
步进电机选用计算方法 步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。 选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。 选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。 选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。 选择步进电机需要进行以下计算： （1）计算齿轮的减速比 根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下: i=(φ.S)/(360.Δ) (1-1) 式中φ ---步进电机的步距角（o/脉冲） S ---丝杆螺距（mm) Δ---(mm/脉冲） （2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。 Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2] （1-2） 式中Jt ---折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2) J1、J2 ---齿轮惯量(Kg.cm.s2)
步进电机选择的详细计算过程 2011-07-25 00:13:59| 分类：默认分类|举报|字号订阅 1，如何正确选择伺服电机和步进电机？ 主要视具体应用情况而定，简单地说要确定：负载的性质（如水平还是垂直负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求，上位控制要求（如对端口界面和通讯方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还是速度方式。供电电源是直流还是交流电源，或电池供电，电压范围。据此以确定电机和配用驱动器或控制器的型号。 2，选择步进电机还是伺服电机系统？ 其实，选择什么样的电机应根据具体应用情况而定，各有其特点。请见下表，自然明白。
各种环境。 交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 6，使用电机时要注意的问题？ 上电运行前要作如下检查： 1）电源电压是否合适（过压很可能造成驱动模块的损坏）；对于直流输入的+/-极性一定不能接错，驱动控制器上的电机型号或电流设定值是否合适（开始时不要太大）； 2）控制信号线接牢靠，工业现场最好要考虑屏蔽问题（如采用双绞线）； 3）不要开始时就把需要接的线全接上，只连成最基本的系统，运行良好后，再逐步连接。 4）一定要搞清楚接地方法，还是采用浮空不接。 5）开始运行的半小时内要密切观察电机的状态，如运动是否正常，声音和温升情况，发现问题立即停机调整。 7，步进电机启动运行时，有时动一下就不动了或原地来回动，运行时有时还会失步，是什么问题？ 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。 8，我想通过通讯方式直接控制伺服电机，可以吗？ 可以的，也比较方便，只是速度问题，用于对响应速度要求不太高的应用。如果要求快速的响应控制参数，最好用伺服运动控制卡，一般它上面有DSP和高速
步进电机驱动方式（细分）概述 众所周知，步进电机的驱动方式有整步，半步，细分驱动。三者即有区别又有联系，目前，市面上很多驱动器支持细分驱动方式。本文主要描述这三种驱动的概述。 如下图是两相步进电机的内部定子示意图，为了使电机的转子能够连续、平稳地转动，定子必须产生一个连续、平均的磁场。因为从宏观上看，电机转子始终跟随电机定子合成的磁场方向。如果定子合成的磁场变化太快，转子跟随不上，这时步进电机就出现失步现象。 既然电机转子是跟随电机定子磁场转动，而电机定子磁场的强度和方向是由定子合成电流决定且成正比。即只要控制电机的定子电流，则可以达到驱动电机的目的。下图是两相步进电机的电流合成示意图。其中Ia是由A-A`相产生，Ib是由B-B`相产生，它们两个合成后产生的电流I就是电机定子的合成电流，它可以代表电机定子产生磁场的大小和方向。 有了以上的步进电机背景描述后，对于步进电机的整步、半步、细分的三种驱动方式，都会是同一种方法，只是电流把一个圆(360°)分割的粗细程序不同。 整步驱动 对于整步驱动方式，电机是走一个整步，如对于一个步进角是3.6°的步进电机，整步驱动是每走一步是走3.6°。
下图是整步驱动方式中，电机定子的电流次序示意图： 由上图可知，整步驱动每一时刻只有一个相通电，所以这种驱动方式的驱动电路可以是很简单，程序代码也是相对容易实现，且由上图可以得到电机整步驱动相序如下： BB’→A’A→B’B→A A’→B B’ 下图是这种驱动方式的电流矢量分割图： 可见，整步驱动方式的电流矢量把一个圆平均分割成四份。 下图是整步驱动方式的A、B相的电流I vs T图： 可以看出，整步驱动描出的正弦波是粗糙的。使用这种方式驱动步进电机，低速时电机会抖动，噪声会比较大。但是，这种驱动方式无论在硬件或软件上都是相对简单，从而驱
步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。 步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。 选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。 选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。论文天地欢迎您 选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。 选择步进电机需要进行以下计算： （1）计算齿轮的减速比 根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下: i=(φ.S)/(360.Δ) (1-1) 式中φ---步进电机的步距角（o/脉冲）
S ---丝杆螺距（mm) Δ---(mm/脉冲） （2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。 Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2] （1-2） 式中Jt ---折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2) J1、J2 ---齿轮惯量(Kg.cm.s2) Js ----丝杆惯量(Kg.cm.s2) W---工作台重量（N） S ---丝杆螺距（cm） （3）计算电机输出的总力矩M M=Ma+Mf+Mt （1-3） Ma=（Jm+Jt).n/T× 1.02×10ˉ 2 （1-4） 式中Ma ---电机启动加速力矩（N.m) Jm、Jt---电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2) n---电机所需达到的转速（r/min） T---电机升速时间（s） Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ 2 （1-5） Mf---导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m) u---摩擦系数 η---传递效率 Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ 2 （1-6） Mt---切削力折算至电机力矩（N.m) Pt---最大切削力（N） （4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为 fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)] 1/2 （1-7） 式中fq---带载起动频率（Hz）
步进电机作为电磁机械装置，其进给的分辨率取决于细分驱动技术。采用软件细分驱动方式，由于编程的灵活性、通用性，使得步进细分驱动的成本低、效率高，要修改方案也易办到。同时，还可解决步进电机在低速时易出现的低频振动和运行中的噪声等。但单一的软件细分驱动在精度与速度兼顾上会有矛盾，细分的步数越多，精度越高，但步进电机的转动速度却降低;要提高转动速度，细分的步数就得减少。为此，设计了多级细分驱动系统，通过不同的细分档位设定，实现不同步数的细分，同时保证了不同的转动速度。 1 细分驱动原理 步进电机控制中已蕴含了细分的机理。如三相步进电机按A→B→C……的顺序轮流通电，步进电机为整步工作。而按A→AC→C→CB→B→BA→A……的顺序通电，则步进电机为半步工作。以A→B为例，若将各相电流看作是向量，则从整步到半步的变换，就是在IA与IB之间插入过渡向量IAB，因为电流向量的合成方向决定了步进电机合成磁势的方向，而合成磁势的转动角度本身就是步进电机的步进角度。显然，IAB的插入改变了合成磁势的转动大小，使得步进电机的步进角度由θb 变为0.5θb，从而也就实现了2步细分。由此可见，步进电机的细分原理就是通过等角度有规律的插入电流合成向量，从而减小合成磁势转动角度，达到步进电机细分控制的目的。 在三相步进电机的A相与B相之间插入合成向量AB，则实现了2步细分。要再实现4步细分，只需在A与AB之间插入3个向量I1、I2、I3，使得合成磁势的转动角度θ1=θ2=θ3=θ4，就实现了4步细分。但4步细分与2步细分是不同的，由于I1、I2、I33个向量的插入是对电流向量IB的分解，故控制脉冲已变成了阶梯波。细分程度越高，阶梯波越复杂。 在三相步进电机整步工作时，实现2步细分合成磁势转动过程为 IA→IAB→IB;实现4步细分转动过程为IA→I2→IAB……;而实现8步细分则转
步进电机选型的计算方法 步进电机选型表中有部分参数需要计算来得到。但是实际计算中许多情况我们都无法得到确切的机械参数，因此，这里只给出比较简单的计算方法。 一、驱动模式的选择 驱动模式是指如何将传送装置的运动转换为步进电机的旋转。 下图所示的驱动模式包括了电机的加/减速时间，驱动和定位时间，电机的选型基于模式图。 ●必要脉冲数的计算 必要脉冲数是指传动装置将物体从起始位置传送到目标位置所需要提供给步进电机的脉冲数。必要脉冲数按下面公式计算： 必要脉冲数＝ 物体移动的距离 距离电机旋转一周移动的距离 × 360 o 步进角 ●驱动脉冲速度的计算 驱动脉冲速度是指在设定的定位时间中电机旋转过一定角度所需要的脉冲数。 驱动脉冲数可以根据必要脉冲数、定位时间和加/减速时间计算得出。 （1）自启动运行方式 自启动运行方式是指在驱动电机旋转和停止时不经过加速、减速阶段，而直接以驱动脉冲速度启动和停止的运行方式。 自启动运行方式通常在转速较低的时候使用。同时，因为在启动/停止时存在一个突然的速度变化，所以这种方式需要较大的加/减速力矩。 自启动运行方式的驱动脉冲速度计算方法如下： 驱动脉冲速度[Hz]= 必要脉冲数[脉冲] 定位时间[秒] （2）加/减速运行方式
加//减速运行方式是指电机首先以一个较低的速度启动，经过一个加速过程后达到正常的驱动脉冲速度，运行一段时间之后再经过一个减速过程后电机停止的运行方式。其定位时间包括加速时间、减速时间和以驱动脉冲速度运行的时间。 加/减速时间需要根据传送距离、速度和定位时间来计算。在加/减速运行方式中，因为速度变化较小，所以需要的力矩要比自启动方式下的力矩小。加/减速运行方式下的驱动脉冲速度计算方法如下： 驱动脉冲速度[Hz]= 必要脉冲数－启动脉冲数[Hz]×加/减速时间[秒] 定位时间[秒]－加/减速时间[秒] 二、电机力矩的简单计算示例 必要的电机力矩＝（负载力矩+加/减速力矩）×安全系数 ●负载力矩的计算（TL） 负载力矩是指传送装置上与负载接触部分所受到的摩擦力矩。步进电机驱动过程中始终需要此力矩。负载力矩根据传动装置和物体的重量的不同而不同。许多情况下我们无法得到精确的系统参数，所以下面只给出了简单的计算方法。 负载力矩可以根据下面的图表和公式来计算。 （1）滚轴丝杆驱动 ※负载力矩的计算公式： TL＝[ F·PB 2πη + μ0F0PB 2π ]× 1 i [kgf·cm] ※负载力矩的估算公式： TL＝m·PB 2πη × 1 i [kgf·cm] （水平方向） TL＝m·PB × 1 ×2 [kgf·cm] （垂直方向）
伺服电机的选型计算方法
2012-4-17 10:51:00 来源：kingservo
１、
伺服电机和步进电机的性能比较
步进电机作为一种开环控制的系统， 和现代数字控制技术有着本质的联系。 在目前国 内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交 流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。 为了适应数字控制的发展趋势， 运动控 制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。 虽然两者在控制方 式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二 者的使用性能作一比较。 一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为 1.8°、0.9°，五相混合式步进电机步距角一般 为 0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。如山洋公司 （SANYO DENKI）生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为 1.8°、 0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合 式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以京伺服（KINGSERVO) 全数字式交流伺服电机为例，对于带标准 2500 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采 用了四倍频技术，其脉冲当量为 360°/10000=0.036°。对于带 17 位编码器的电机而言， 驱动器每接收 131072 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为 360°/131072=0.0027466°， 是步距角为 1.8°的步进电机的脉冲当量的 1/655。 二、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。 振动频率与负载情况和驱动器性能有关， 一 般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。 这种由步进电机的工作原理所决定的低频振 动现象对于机器的正常运转非常不利。 当步进电机工作在低速时， 一般应采用阻尼技术来 克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳， 即使在低速时也不会出现振动现象。 交流伺服系统具有 共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检 测出机械的共振点，便于系统调整。 三、矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降， 且在较高转速时会急剧下降， 所以其最高工 作转速一般在 300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为 2000RPM 或 3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 四、过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以京伺服 （KINGSERVO)交流伺服系统为例， 它具有速度过载和转矩过载能力。 其最大转矩为额定转 矩的三倍， 可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。 步进电机因为没有这种过载能力， 在选型时为了克服这种惯性力矩， 往往需要选取较大转矩的电机， 而机器在正常工作期间 又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 五、运行性能不同
姓名___ _ _ _ 学号201016050136 院系电气信息工程学院 专业电子信息工程 班级___信息10-1______ __
目录 目录 (2) 摘要 (3) 关键词 (3) Abstract (3) Keywords (3) 一、引言 (4) 二、步进电机细分驱动的基本原理 (4) 三、Quartus II概述 (5) 四、课题设计 (5) （一）总体设计 (5) （二）细分电流的实现 (6) （三）细分驱动性能的改善 (6) （四）程序设计 (6) 六、仿真与测试结果分析 (10) 七、结论 (12) 参考文献 (12) 注释 (13) 附录 (14) 心得体会 (20)
摘要 在对步进电机细分驱动原理进行分析研究的基础上，提出一种基于FPGA 控制的步进电机细分驱动器。利用FPGA中的嵌入式EAB构成LPM-ROM，存放步进电机各相细分电流所需的PWM控制波形数据表，并通过FPGA设计的数字比较器，同时产生多路PWM电流波形，实现对步进电机转角进行均匀细分控制。实验证明，所研制的步进电机驱动器不仅体积小，简化了系统的设计，减少了延迟，改善了低频特性，有良好的适应性和自保护能力，提高了驱动器的稳定性和可靠性。 关键词 步进电机；细分驱动；脉宽调制；FPGA Abstract In this paper, a divided driving circuit for stepping motor controlled by FPGA is put forward, based on the analysis of the principle of stepping motor divided driving. Using embedded EAB in FPGA to compose LPM-ROM, store PWM control wave form data which stepping motor each phase subdivided driving current is needed．The magnitude comparator designed with FPGA generates several PWM current waveform synchronously, to realize the step angles even division control for three–phase stepping motor.Experimments have proved that the developed subdivision driver is not only smaller,sampler in system, can shorten the delay time,improve the stability in low frequency ,but has good self-adaptation and self-protection ability,and its stability and relibility are higher. Keywords stepping motor; divided driving；PWM; FPGA
Standard 60mm Frame Size (NEMA Size 23) Features ?/SPAN> Up to 150% rated torque reserve capacity ?/SPAN> ?3% typical step accuracy ?/SPAN> Standard terminal box, encoders, and precision gearheads available ?/SPAN> Available with four, six or eight leads ?/SPAN> Customized configurations available Performance Envelope Moto r Fra me Minimum Holding Torque Rot or Iner tia Weight Maxi mum Shaft Load Minimum Residual Torque Un ip ol ar 20 on oz -in (N c m) Bipola r 20 on oz-in (Ncm) oz-i n-s (kg- cm ) Ne t* lb (k g) Ship * lb (kg) Ov er ha ng lb (k g) T h r u s t l b ( k g ) oz-in (Ncm) M06 1 M06 260 (4 2) 10 (7 75 (53) 125 (88) 0.00 17(0 .12) 0.00 34(0 .24) 1.3 (0. 57) 2.0 (0. 91) 1.5 (0.68 ) 2.5 (1.1) 15 (6. 8) 15 (6. 8) 2 5 ( 1 1 ) 1.0 (0.71) 1.4 (0.99)
步进电机的参数 电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。 步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。 保持转矩：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。 相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数，是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。目前应用最广泛的是两相和四相，四相电机一般用作两相，五相的成本较高。 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 固有步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。 定位转矩（DETENT TORQUE）：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），DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。 最大静转矩：也叫保持转矩（HOLDING TORQUE），电机在额定静态电作用下（通电），电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩，即定子锁住转子的力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 最大静力矩的选择： 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。 步进电机的应用 步进电机的特点主要归于三个方面: 过载性好，使用在对速度和位置都有严格要求的场合；