步进与伺服学习笔记 点击：11276 | 回复：111
1、发现步进电机定位不准怎么办
在调机过程中发现定位不准现象怎么办？把它拿下来呗!没什么可谈的是吧！一般有以下几方面原因引起：
1、 改变方向时丢脉冲，表现为往任何一个方向都准，但一改变方向就累计偏差，并且次数越多偏得越多；
2、 初速度太高，加速度太大，引起有时丢步；
3、 在用同步带的场合软件补偿太多或太少；
4、 马达力量不够；
5、 控制器受干扰引起误动作；
6、 驱动器受干扰引起；
7、 软件缺陷；
针对以上问题分析如下：
1）一般的步进驱动器对方向和脉冲信号都有一定的要求，如：方向信号在第一个脉冲上升沿或下降沿（不同的驱动器要求不一样）到来前数微秒被确定，否则会有一个脉冲所运转的角度与实际需要的转向相反，最后故障现象表现为越走越偏，细分越小越明显，解决办法主要用软件改变发脉冲的逻辑或加延时。
2）由于步进电机特点决定初速度不能太高，尤其带的负载惯量较大情况下,建议初速度在1r/s以下，这样冲击较小，同样加速度太大对系统冲击也大，容易过冲，导致定位不准;电机正转和反转之间应有一定的暂停时间,若没有就会因反向加速度太大引起过冲。
3）根据实际情况调整被偿参数值，（因为同步带弹性形变较大，所以改变方向时需加一定的补偿）。
4）适当地增大马达电流，提高驱动器电压（注意选配驱动器）选扭矩大一些的马达。
5）系统的干扰引起控制器或驱动器的误动作，我们只能想办法找出干扰源，降低其干扰能力（如屏蔽，加大间隔距离等），切断传播途径，提高自身的抗干扰能力，常见措施：
①用双纹屏蔽线代替普通导线，系统中信号线与大电流或大电压变化导线分开布线，降低电磁干扰能力。
②用电源滤波器把来自电网的干扰波滤掉，在条件许可下各大用电设备的输入端加电源滤波器，降低系统内各设备之间的干扰。
③设备之间最好用光电隔离器件进行信号传送，在条件许可下，脉冲和方向信号最好用差分方式加光电隔离进行信号传送。在感性负载（如电磁继电器、电磁阀）两端加阻容吸收或快速泄放电路，感性负载在开头瞬间能产生10~100倍的尖峰电压，如果工作频率在20KHZ以上。
6）软件做一些容错处理，把干扰带来影响消除。
3、步进电机驱动器细分的作用是什么呢？~
步进电机驱动器细分的主要作用是提高步进电机的精确率。
通常细分有2,4,8,16,32,62,128,256,512....
在国外，对于步进系统，主要采用二相混合式步进电机及相应的细分驱动器。但在国内，广大用户对“细分”还不是特别了解，有的只是认为，细分是为了提高精度，其实不然，细分主要是改善电机的运行性能，现说明如下：步进电机的细分控制是由驱动器精确控制步进电机的相电流来实现的，以二相电机为例，假如电机的额定相电流为
1．“平滑”并不精确控制电机的相电流，只是把电流的变化率变缓一些，所以“平滑”并不产生微步，而细分的微步是可以用来精确定位的。
2．电机的相电流被平滑后，会引起电机力矩的下降，而细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加。
4、关于步进电机的知识
步进电机各相轮流接入整步电流后所产生的步距角叫做该步进电机的基本步距角。 F 相步进电机有 F 个绕组，这 F 个绕组要均匀地镶嵌在定子上，因此定子的磁极数必定是 F 的整数倍，因此，转子转一圈的步数应该是 F 的整数倍；也就是说：3 相步进电机转一圈的步数是 3 的整数倍，4 相步进电机转一圈的步数是 4 的整数倍，5相步进电机转一圈的步数是 5 的整数倍；如果步进电机的基本步距角为 A ，转一圈的步数是 M ，步进电机的相数是 F 则有下述关系： A=360/M 由于上述机械对称原理，M 必然是相数 F 的整数倍,即： M=N*F 其中 N 是正整数。跟据以上分析可以看出，基本步距角是不能取任意值的。我们往往希望步进电机转一圈为 100 步或其倍数，这在 2/4 相和 5 相步进电机容易做到，但对于三相步进电机其基本步距角不可能做到转一圈为 100 步或 200 步，但可以是 300 步。 有些厂家所标的三相步进电机的步距角为 1.2 度或 3 度，相当每圈 300 步或 120 步，是 3 的整数倍，这种标注很正常。有些厂家所标注的三相步进电机的步距角为 1.8/0.9/0.72/0.36 度，相当每圈 200/400/500/1000 步，不是 3 的整数倍，所以这些厂家所标注的不是步进电机的基本步距角，而是步进驱动器每输入一个步进脉冲时步进电机的转角，或是步进电机转一圈时，步进驱动器输入的脉冲个数；其实这是步进驱动器带来的功能，厂家标注到步进电机上了；这种标注方法很容易造成迷惑，甚至有一些步进电机的销售商自己都讲不清楚．
6、分辨5线单极性步进电机接头
为了找出5线单极性步进电机各条引线的正确配置，事先需要做一番实际上很简单的考察。图1给出了5线步进电机的基本引线配置。
为了找出正确的引线顺序并使电机转动，需要一块电池和一段胶带(当然也需要一个5引线步进电机)。备好记号笔来标注引线以便分辨它们。按以下步骤操作：
①用数字万用表找到公共线。其他引线与 公共线之间的电阻测量值都相同。
将此线连接到电池的V+。5V或6V就足够测试用了。
②胶带粘贴到步进电机的输出铀上，并使它垂直于轴端伸出成为一个标志。此标志的作用在于判断电机是否转动。
③任意挑出一条引线称之为相1。若将此线接地，则电机输出轴将做轻微的转动。现在步进电机被锁定在相1的位置上。
④取另一根引线并将其接地，仔细观察输出轴上的胶带。如果输出轴向右轻微地旋转，那么此根引线是相2。 ⑤取另一根线并将其接地，仔细观察输出轴上的胶带。如果输出轴向左轻微地旋转，那么此根引线是相4。如图4所示。
⑥再取另一根线并将其接地，仔细观察输出轴上胶带的运动状态。如果输出轴不旋转，那么此根引线就是相3。
步进电机驱动及控制技术解答
步进电机作为一种控制精密位移及大范围调速专用的电机, 它的旋转是以自身固有的步距角角（转子与定子的机械结构所决定）一步一步运行的, 其特点是每旋转一步，步距角始终不变，能够保持精密准确的位置。所以无论旋转多少次，始终没有积累误差。由于控制方法简单，成本低廉，广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行需要有脉冲分配的功率型电子装置进行驱动, 这就是步进电机驱动器。它接收控制系统发出的脉冲信号，按照步进电机的结构特点，顺序分配脉冲，实现控制角位移、旋转速度、旋转方向、制动加载状态、自由状态。控制系统每发一个脉冲信号, 通过驱动器就能够驱动步进电机旋转一个步距角。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。角位移量与脉冲个数相关。步进电机停止旋转时，能够产生两种状态：制动加载能够产生最大或部分保持转矩（通常称为刹车保持，无需电磁制动或机械制动）及转子处于自由状态（能够被外部推力带动轻松旋转）。步进电机驱动器，必须与步进电机的型号相匹配。否则，将会损坏步进电机及驱动器。 |
2.什么是驱动器的细分？运行拍数与步距角是什么关系？ | ||||||||||||||||||||||||||
“细分”是针对“步距角”而言的。没有细分状态，控制系统每发一个步进脉冲信号，步进电机就按照整步旋转一个特定的角度。步进电机的参数，都会给出一个步距角的值。如110BYG | ||||||||||||||||||||||||||
可用看出，细分数就是指电机运行时的真正步距角是固有步距角(整步）的几分指一。例如，驱动器工作在10细分状态时，其步距角只有步进电机固有步距角的十分之一。当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，步进电机旋转1.8°；而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了0.18° 。其实，细分就是步进电机按照微小的步距角旋转，也就是常说的微步距控制。当然，不同的场合，有不同的控制要求。并不是说，驱动步进电机必须要求细分。有些步进电机的步距角设计为3.6°、7.5°、15°、36°、180°，就是为了加大步距角，以适应特殊的工况条件。细分功能，只是是由驱动器采用精确控制步进电机的相电流方法，与步进电机的步距角无关，而与步进电机实际工作状态相关。 运行拍数与驱动器细分的关系是：运行拍数指步进电机运行时每转一个齿距所需的脉冲数。例如：110BYG |
3.驱动器细分有什么好处？ |
步进电机驱动器采用细分功能，能够消除步进电机的低频共振（震荡）现象，减少振动，降低工作噪音。随着驱动器技术的不断提高，当今，步进电机在低速工作时的噪音已经与直流电机相差无几。低频共振是步进电机（尤其是反应式电机）的固有特性，只有采用驱动器细分的办法，才能减轻或消除。 利用细分方法，又能够提高步进电机的输出转矩。驱动器在细分状态下，提供给步进电机的电流显得“持续、强劲”，极大地减少步进电机旋转时的反向电动势。 驱动器的细分功能，改善了步进电机工作的旋转位移分辨率。因此，步进电机的步距角，就没有必要做得更小。选择现有的常规标准步距角的步进电机，配置40细分以下的驱动器，就能够完成精密控制任务。由于步进电机步距角的原因，驱动器的细分数再加大，已经没有实际意义。通常，选择5、8、10、20细分，就能够适应各种工控要求。 |
4.步进电机的运行方向有几种方法调整？ |
平时，采用三种方法来该变步进电机的旋转方向。 一、改变控制系统的方向信号，即高电平或低电平。 二、对于有两路脉冲输入的驱动器，改变脉冲的顺序。 三、调整步进电机其中一组线圈的两个线头位置，重新接入驱动器。 具体方法见下表： |
电机接线方式 | 原来接线序列 | 换向后接线序列 |
两相四线 | A，A‘，B，B‘ | A‘，A，B，B‘或者A，A‘，B‘，B |
三相三线 | A，B，C | B，A，C或者A，C，B |
三相六线 | A，A‘，B，B‘，C，C‘ | B，B‘，A，A‘，C，C‘或者A，A‘，C，C‘，B，B‘ |
五相五线 | A，B，C，D，E | E，D，C，B，A |
5．四相六根和八根线的，如何使用两相四线驱动器？ |
四相混合式步进电机，可以认为是二相混合式步进电机。多组线圈多个抽头，是为了适应不同工控条件而设计的。由于步进电机的线圈，与转速、转矩有着密切的关系。高速与低速工作的步进电机参数有所不同。通常，高速步进电机的电感要求小一点，低速工作时要求大一点的电感量。但是，这也不是绝对的。更多的实际应用，还考虑权衡其它众多相关因素。下面就几种步进电机的线圈绕组及出线，采用双极性驱动器，说明接线方法： 两相四线电机：1 和2为一相，分别接A和/A；3和4为一相，分别接B和/B。参考下图： 四相六线电机，两种方法接线： 一、1和2为一相，分别接A和/A；5和6为一相，分别接B和/B。 3和4不用，分别悬空（不要相连）。 二、1、3为一相，定义A、/A；4、6为一相，定义为B、/B。2和5分别悬空不用（不要相连）。 参考下图： 四相八线电机， 有两种接法。 并联接法：1和3相连，2和4相连，分别接A和/A；5和7相连，6和8相连， 分别接B和/B。 串联接法：1和4为一相，分别接A和/A；2、3连接好不用；5、8为一相，分别接B、/B，6、7连接好不用。 |
8.为什么步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声?
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）。
9.如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声?
步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：
A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；
B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法；
C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；
D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；
E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。
10.细分驱动器的细分数是否能代表精度?
步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8° 的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45°，电机的精度能否达到或接近0.45°，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。
11.四相混合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别?
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。
12.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。
13.混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE一般在什么情况下使用?
当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。 14.如果用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向?
只需将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可。关于驱动器的细分原理及一些相关说明（转载）在国外，对于步进系统，主要采用二相混合式步进电机及相应的细分驱动器。 但在国内，广大用户对“细分”还不是特别了解，有的只是认为，细分是为了提高精度，其实不然，细分主要是改善电机的运行性能，现说明如下：步进电机的细分控制是由驱动器精确控制步进电机的相电流来实现的，以二相电机为例，假如电机的额定相电流为
定要分清两者的本质不同：
15．“平滑”并不精确控制电机的相电流，只是把电流的变化率变缓一些，所以“平滑”并不产生微步，而细分的微步是可以用来精确定位的。
16．电机的相电流被平滑后，会引起电机力矩的下降，而细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加。 17.两相和五相的混合式步进电机的应用场合有何不同？ 问题解答： 一般来说，两相电机步距角大，高速特性好,但是存在低速振动区。而五相电机步距角小，低速运行平稳。所以，在对电机的 运转精度要求较高 ，且主要在中低速段（一般低于600转/分） 的场合应选用五相电机；反之，若追求电机的高速性能，对精度及平稳性无太多要求的场合应选用成本较低的两相电机。另外，五相电机的力矩通常在2NM以上，对小力矩的应用，一般采用两相电机，而低速平稳性的问题可以通过采用细分驱动器的 方式解决。 和步进电机相比，伺服电机有以下几点优势：
1、实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；
2、高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转；
3、抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；
4、低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合；
5、电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内；6、发热和噪音明显降低。
附：步进电机动态指标及术语：
1、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。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。
2、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。
3、失调角：
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
4、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。
5、最大空载的运行频率：
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。
6、运行矩频特性：
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矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图所示：
其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。
电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。
其中，曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。
要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。
7、电机的共振点：
步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），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，为使电机输出电矩大，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。
8、电机正反转控制：当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或()时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB或()时为反转。
步进电机原理（一）
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。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。
感应子式步进电机工作原理（一）反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。
1、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A‘与齿5相对齐，（A‘就是A，齿5就是齿1）
旋转： 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。 由此可见：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。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。
3、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力F与（dФ/dθ）成正比
其磁通量Ф=Br*S Br为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=N·I/RN·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。
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