步进电机基础知识

步进电机是一种数字设备。步进电机处理数字信息以实现最终结果，在本例中为受控运动。人们可能会假设步进电机会可靠地遵循数字指令，就像计算机一样。这是步进电机的显着特征。

步进电机是一种由数字脉冲而不是连续施加电压驱动的电动机。这个概念中固有的是开环控制，其中一串脉冲转化为如此多的轴转数，每一转都需要给定数量的脉冲。

每个脉冲等于一个旋转增量或步进（因此命名为步进器、步进或步进电机），它只是一个完整旋转的一部分。

因此，可以在步进电机中施加计数脉冲以实现所需的轴旋转量。计数自动表示已经实现了多少运动，不需要反馈信息，就像在伺服系统和其他技术中那样。

虽然不是必需的，但大多数步进电机都可以在需要时容纳编码器。

注意：在本次讨论中，步进电机、步进电机和步进电机可互换使用。

步进电机的应用

尽管步进电机在过去一直被用于运动控制的伺服系统所掩盖，但它已成为越来越多领域的首选技术。

这种步进电机趋势的主要因素是数字控制的普及、微处理器的出现、改进的设计，即高扭矩模型和较低的成本。

今天，步进电机的应用无处不在：它们用于打印机（进纸器、打印轮）、磁盘驱动器、钟表，以及用于工厂自动化和机械。

伺服电机应用涉及工业公司操作或设计涉及食品、化妆品或医疗包装、标签或防篡改要求、定长应用、装配、输送机、材料处理、机器人技术、特殊拍摄和投影效果的自动化机械或流程、医疗诊断、摄像机跟踪、检查和安全设备、飞机控制、泵流量控制、金属制造（CNC 机械）和设备升级。

步进电机最常出现在需要位置控制的运动系统中。

步进电机的类型

步进电机分为三种基本类型。这些步进电机类型因结构和功能而异。每种步进电机类型都以不同的方式为应用提供解决方案。步进电机的三种基本类型包括可变磁阻电机、永磁电机和混合电机。

1.可变磁阻（VR）步进电机

可变磁阻步进电机以具有软铁多转子和绕线定子结构而闻名。

可变磁阻步进电机通常以 5 到 15 度的步进角以相对较高的步进率运行。它们也不具有制动力矩。

2.永磁（PM）步进电机

永磁步进电机与可变磁阻步进电机的不同之处在于具有无齿的永磁转子。这些转子被垂直于轴磁化。当四相依次通电时，转子被磁极吸引而旋转。

永磁步进电机一般具有 45 至 90 度的步距角，并且往往以相对较低的速率步进，但会产生高扭矩和出色的阻尼特性。

3.混合式步进电机

混合式步进电机结合了永磁和可变磁阻步进电机的特性。混合式步进电机具有每种电机的一些理想特性。这种类型的步进电机具有高制动扭矩、出色的保持和动态扭矩，并且可以在高步进速度下运行。

在混合式步进电机中通常可以看到 0.9 到 5.0 度的步距角。这种步进电机一般采用双线绕组供电，这样就可以用一个电源给步进电机供电。

如果按照指示的顺序一次为一个相通电，转子将以 1.8 度的增量旋转。该步进电机可以一次分两相驱动，以产生更大的扭矩。混合式步进电机也可以由一相、两相、一相驱动，以产生 0.9 度增量的半步。

步进电机模式

步进电机通常使用三种励磁模式。这些步进电机模式是整步、半步和微步。

1. 步进电机 – 全步

在全步操作中，步进电机以正常步距角步进，例如，200 步/转电机采用 1.8 步，而在半步操作中采用 0.9 步。有两种整步模式。

单相全步励磁是指步进电机一次仅在一个相上通电运行。此模式只能用于扭矩和速度性能不重要的应用，其中电机以固定速度运行且负载条件明确定义。

通常，步进电机以整步模式用作现有运动系统的替代品，而不用于新开发。共振问题可能会禁止以某些速度运行。在任何激励模式中，这种模式需要的驱动电源功率最少。

双相全步进励磁是指步进电机同时在两相通电的情况下运行。这种模式提供了良好的扭矩和速度性能，并且共振问题最少。

注意： 双励磁提供的扭矩比单励磁多大约 30% 到 40%，但需要两倍的驱动电源功率。如果需要，许多微步驱动程序可以设置为整步模式。

2. 步进电机 – 半步

步进电机半步励磁是交替的单相和双相操作，导致步长为正常步长的一半。

因此，此模式提供两倍的分辨率。虽然电机扭矩输出在交替步进时会发生变化，但仅需步进一半角度即可抵消这一点。这种模式几乎可以完全避免共振问题。

步进电机可以在很宽的速度范围内运行，并用于驱动几乎任何常见的负载。虽然半步驱动器仍然是一种流行且负担得起的选择，但许多更新的微步驱动器是一种具有成本效益的选择。

3. 步进电机 – 微步

在步进电机微步模式下，步进电机的自然步进角可以分成更小的角度。

例如，一个标准的 1.8 度电机有 200 步/转。如果电机以“除以 10”进行微步，则每个微步将电机移动 0.18 度，即 2,000 步/转。

微步是通过根据正弦和余弦函数使两个绕组中的电流成比例产生的。此模式仅在需要更平滑的运动或更高分辨率的情况下使用。

通常，微步模式的范围从除以 10 到除以 256（1.8 度电机为 51,200 步/转）。

一些微步驱动器有一个固定的除数，而更昂贵的微步驱动器提供可选择的除数。

注意： 一般来说，提供的微步除数越大，步进电机驱动器的成本就越高。

步进电机反馈

步进电机通常由驱动器和分度器/控制器控制。步进电机的转动量、速度和转动方向由数字控制装置的具体配置决定。

步进电机控制装置的主要类型有：步进电机驱动器和步进电机控制器，其中包括分度器和脉冲发生器。

步进电机驱动器接受时钟脉冲和方向信号，并将这些信号转换为适合步进电机的相电流。

步进电机分度器为步进电机产生时钟脉冲和方向信号。计算机或 PLC（可编程逻辑控制器）向分度器或控制器发出命令。

步进电机环境注意事项

在步进电机系统的所有操作、服务和维修阶段，必须遵守以下环境和安全注意事项。

不遵守这些预防措施将违反步进电机、驱动器和控制器的设计、制造和预期用途的安全标准。请注意，即使是构造精良的步进电机，如果操作和安装不当，在某些情况下也会造成危险。

用户必须注意负载和操作环境。最终用户对步进电机系统的正确选择、安装和操作负最终责任。

使用步进电机的环境必须有利于电气/电子设备的良好通用实践。请勿在存在易燃气体、灰尘、油、蒸汽或湿气的情况下操作步进电机。

对于户外使用，步进电机、驱动器和控制器必须通过适当的覆盖物来保护免受元件影响，同时仍然提供足够的空气流动和冷却。湿气可能导致触电危险和/或导致系统故障。

应适当考虑避免任何种类的液体和蒸汽。如果您的应用需要特定的 IP 等级，请联系工厂。将步进电机、驱动器和控制器安装在没有冷凝、灰尘、电气噪声、振动和冲击的环境中是明智的。

此外，最好在非静态保护环境中使用步进电机/驱动器/控制器系统。暴露的电路应始终得到适当的保护和/或封闭，以防止未经授权的人员接触带电电路。

通电时不应进行任何工作。请勿在电源打开时插拔连接器。关闭电源后至少等待5分钟再对步进电机系统进行检查工作，因为即使关闭电源后，步进电机驱动器内部电路的电容器中仍会残留一些电能。

在系统设计中规划步进电机、驱动器和/或控制器的安装，该系统设计应无碎屑，例如切割、钻孔、攻丝和焊接产生的金属碎屑，或任何其他可能与电路接触的异物。未能防止碎屑进入步进电机系统可能会导致损坏和/或震动。

步进电机接线

以下信息旨在作为步进电机接线的一般指南。

请注意，当您在机器或系统上布线时，来自附近继电器、变压器和其他电子设备的辐射噪声可能会引入步进电机和编码器信号、输入/输出通信和其他敏感的低电压信号。这会导致系统故障和通信错误。

警告 – 步进电机系统中可能存在能够导致人身伤害或死亡的危险电压。在安装、设置、调整和操作过程中处理、接线、测试和调整时要格外小心。

不要对步进电机系统参数进行极端调整或更改，这可能会导致机械振动并导致故障和/或损失。步进电机接线后，请勿通过直接打开/关闭电源来运行步进驱动器。

频繁的电源开/关切换会导致内部元件快速老化，从而降低步进电机系统的使用寿命。

严格遵守以下规则：

• 按照每个步进电机的接线图
• 将高压电源线与低压电源线分开布线。
• 在离开步进电机驱动器时，将输入电源线和步进电机电源线与控制线和电机反馈电缆分开。在整个走线过程中保持这种分离。
• 使用屏蔽电缆进行电源布线，并为外壳壁提供接地的 360 度夹具端接。为电线弯曲留出空间。
• 使所有电缆线路尽可能短。

注意： 建议在我们的步进电机和驱动器系统中使用工厂制造的电缆。这些电缆是单独购买的，旨在最大限度地减少 EMI。

建议使用这些电缆而不是客户制造的电缆，以优化系统性能并为步进电机系统和用户提供额外的安全性。

警告 – 为避免电击的可能性，请在通电之前完成步进电机和驱动器系统的所有安装和接线。通电后，连接端子可能带有电压。

步进电机安装

以下信息旨在作为安装步进电机系统的一般指南。

警告 – 步进电机系统中可能存在能够导致人身伤害或死亡的危险电压。在安装、设置和操​​作期间处理、测试和调整时要格外小心。在安装和安装时考虑步进电机和驱动器的接线非常重要。

安装在机壳内用于安装步进电机系统组件的子面板必须是平坦、坚硬的表面，不受冲击、振动、湿气、油、蒸汽或灰尘的影响。

请记住，步进电机和驱动器在工作过程中会产生热量；因此，在设计系统布局时应考虑散热。确定外壳尺寸，使其不超过最大环境温度额定值。

建议将步进电机驱动器和控制器安装在能够提供足够气流的位置。步进电机应以稳定的方式安装，牢固固定，以最大程度地减少振动。

注意： 步进电机驱动器与安装在系统/电气面板或机柜中的任何其他设备之间至少应有 3 英寸的距离。如果在您的运动系统中使用继电器，请注意保护继电器和步进驱动器和控制器，并始终单独运行这些电线。使用直流继电器时，请在线圈上跨接二极管，使用交流继电器时，请务必使用MOV。

注意： 为了符合 UL 和 CE 要求，步进电机系统必须在接地导电外壳中接地，提供符合标准 EN 6052 (IEC 529) 至 IP55 定义的保护，以便操作员或非熟练人员无法接触到它们.

与系统中的任何移动部件一样，步进电机应放在操作员够不到的地方。NEMA 4X 外壳超出了提供 IP66 保护的要求。要改善电源导轨和子面板之间的结合，请使用镀锌（无漆）钢构建子面板。

此外，强烈建议保护步进电机驱动器和/或控制器免受电噪声干扰。来自信号线的噪声会导致机械振动和故障。

步进电机和/或步进驱动器故障的常见原因

注意：请 务必阅读每台设备随附的规格表/用户指南。

问题： 间歇性或不稳定的步进电机或步进驱动器功能。

解决方案： 这是最常见的故障原因，也是最难检测的原因之一。首先检查以确保步进电机与步进驱动器和控制器之间的所有连接都紧密。

端子/连接处的变色迹象可能表示连接松动。更换步进电机、步进驱动器或驱动器包或运动控制系统中的控制器时，请务必检查所有接线端子和连接器。

检查电缆/接线的准确性。在更差的条件下对步进电机接线和连接施加压力，并使用欧姆表进行检查。尽可能使用屏蔽电缆进行步进电机接线。

问题： 驱动器上电时步进电机电线断开。

解决方案： 避免在电源打开时对步进电机、驱动器或控制器进行任何维修，尤其是在电机连接方面。这种预防措施对于驾驶员和技术人员/安装人员来说都是必不可少的。

问题： 系统性能差。

解决方法： 检查电线/电缆是否过长。保持步进电机的电线/电缆长度不超过 25 英尺。对于从步进电机到步进驱动器的接线超过 25 英尺的应用，请联系工厂获取说明，因为很可能需要瞬态电压保护装置。

另一种可能是步进电机引线的规格太小。不要将电缆线与步进电机引线的规格尺寸相匹配。这是一个常见的错误，因此我们建议使用其屏蔽电缆进行此类接线。

此外，请检查步进电机的使用年限，随着时间的推移和使用，步进电机会失去一些影响性能的磁性。

通常，步进电机可以预期运行 10,000 小时（大约 4.8 年，每个工作日运行一个八小时轮班）。

此外，请确保您的步进电机和驱动器组合非常适合您的应用。如果您有任何疑虑，请联系工厂。

问题： 步进电机绕组短路或对电机外壳短路。

解决方案： 您的步进电机可能有故障。不要试图修理电机。打开步进电机外壳可能会使电机消磁，从而导致性能下降。

打开步进电机外壳也会使您的保修失效。可以用欧姆表测试电机绕组。

问题： 步进电机驱动器或驱动包过热。

解决方案： 通风和冷却设施是必不可少的——不能提供足够的气流将影响步进电机驱动器的性能，并会缩短驱动器的寿命。将驱动器温度保持在 60 摄氏度以下。

为保持良好的气流，请使用风扇、散热材料和底板，以免超过步进电机、驱动器或控制器的最大温度额定值。请注意可能安装步进驱动器的机柜和外壳内的温度。

注意： 涂漆表面 不是 用于步进电机驱动器和控制器的良好散热材料。此外，请确保环境中没有可能堵塞风扇冷却系统的灰尘和碎屑。

问题： 环境因素不太理想。

解决方案： 焊接、化学蒸汽、湿气、湿气、灰尘、金属碎屑等环境因素可能会损坏电子设备和步进电机。

保护驱动器、控制器和步进电机免受腐蚀性、包含电压尖峰或妨碍良好通风的环境的影响。

对于冲洗或防爆电机，请直接联系厂家。对于包含电压尖峰的交流线路，可能需要线路调节器（滤波器）。

注意： 如果您的应用需要焊接，或者如果焊接是在相同的工作环境中进行的，请联系工厂以获取有关如何保护步进电机驱动器和控制器的建议。

问题： 驱动器的脉冲率（时钟或步进）太高。

解决方案： 典型的半步驱动器可以以每秒 20,000 个脉冲的最大速率驱动步进电机。每秒超过 60,000 个脉冲的脉冲率会损坏驱动器。

请参阅电机和驱动器组合的单独规格表以获得最佳性能。

问题： 步进电机失速。

解决方案： 在某些情况下，停止步进电机会导致较大的电压尖峰，这通常会损坏驱动器上的相位晶体管。

一些驱动程序旨在保护自己免受此类事件的影响。如果没有，可以在外部添加瞬态抑制设备。如需更多信息，请咨询工厂。

问题： 步进电机反向驱动步进驱动器。

解决方案： 由负载转动的步进电机会在驱动器上产生反电动势电压。更高的速度将产生更高的电压水平。

如果转速非常高，该电压可能会损坏驱动器。当电机反向驱动而驱动器仍处于打开状态时，这尤其危险。在可能会出现这些现象的应用中设置机械停止或制动器。

步进电机应用的一般安全注意事项

在操作、服务和维修的所有阶段都必须遵守以下安全注意事项。不遵守这些预防措施将违反步进电机、驱动器和控制器的设计、制造和预期用途的安全标准。

用户必须遵守有关负载和操作环境的安全预防措施。

总之：

• 在安装、设置和操​​作期间处理、测试和调整时要小心
• 不应在通电的情况下进行维修
• 裸露的电路应妥善保护或封闭，以防止未经授权的人员接触带电电路
• 所有装置都应牢固安装并充分接地
• 提供足够的气流和散热
• 请勿在存在易燃气体、蒸气、液体或灰尘的情况下操作