步进电机应用基础知识--改数控必看,认定步进电机在600转以上问题不小

zihe98

1.什么是步进电机：

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

2.步进电机分类：

步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）:

永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；

反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。

混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相、五相和三相：两相步进角一般为1.8度，这种步进电机的应用最为广泛.

3.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2M530的供电电压为24～45VDC），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。

4.步进电机和交流伺服电机性能比较

步进电机是一种离散运动的装置，它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。二者的使用性能比较。

（1）控制精度不同

两相混合式步进电机步距角一般为1.8°，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。以信浓全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2000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°/8000=0.045°。

（2）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。

（3）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。

（4）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。以信浓交流伺服系统为例，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。

（5）运行性能不同

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

（6）速度响应性能不同

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以信浓HO CC 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控电机。

5.步进电机的工作转速：

具体参看各款电机矩频特性图，一般的，U3  H系列空载可到3000转每分，U3系列输出额定转矩一般在600转每分以内，U2系列输出额定转矩一般在300转每分以内.

6.电机和驱动器的发热问题：

电机可以承受的温度一般在100度以上，因此使用中烫手是很正常的。小驱动器带大电机，如2M530带86电机，要注意驱动器散热问题，最好低速、间歇工作。

7.驱动器故障：

a、  电机相间短路，或长期过负荷运转，烧毁功率模块

b、  输入控制信号电压偏高、反向，或高频脉冲突然停止，烧坏输入光耦

c、  输入电源电压不稳定，或回生电流太大，烧毁主电源回路，因此，请注意加隔离变压器、滤波器、回生吸收电阻、电容等

[ 本帖最后由 zihe98 于 2012-2-10 14:12 编辑 ]

zyyz

这兄弟看来不是一般的明白，切修养极高，真的佩服！记下了，以后有问题请教。

蜡包

导程10的我没试过，但是看起来现在应用最多的导程是5，我自己的机器也用了5的。

关于导程大小，其实加工给进完全没问题，导程影响速度主要在于空行，我现在空行最高6000，平时工作限定在4500是安全值。

zdkj001

鹧鸪哨 发表于 2013-4-19 18:43
哥。。。一个合格的丝杆，精度跟导程是没有关系的。。

当然，，丝杆的导程，会影响到最小单位。。。也 ...

不过啊，导程大对电机步距角精度有个放大效应，步距角精度一般+-5%，如果驱动器细分品质好，也可以弥补

wenjin

看完贴了后学习了不小也来个总结

步进电机转速高了就没力，如果要机机跑得快，选择大导程丝杆比提高转速更合理。

大导程丝杆比小导程丝杆的升角大转起来要费力，如果要重切销和高分辨率则用小点导程丝杆。

机机跑得再快再有力也要主轴和刀具的支持，否则吃不消断刀。

精度与导程无关主要不是系统、床身、导轨、丝杆的精度级别。

又想好力水又要高速不失步得要闭环系统+伺服+大功率电主轴+高精度丝杆和导轨，就得要烧钱

鹧鸪哨

DDIY家具 发表于 2013-5-14 08:50
谢谢您的指导，精度0,05我觉得就够了，各轴滚珠丝杠想用2510的，用86BYG250H  扭矩12N M  轴径14MM  电流 ...

用步进的指导思想永远是越大越好，，，

没有闭环条件，只能靠大马拉小车来确保可靠性，，

只要你有位置装，越大越好。。。

导程10的丝杆，个人觉得小了，，也许你是从成本上考虑的，，，，但是导程确实小了，，你机器太大，两米四啊，，，，按10导程，，从头移动到尾部，要半分钟。。。慢了。。。

要考虑成本，还不如用齿条，，齿条在精度要求不高的情况下是不错的选择。。。


另外你说的各轴导轨配置，，做木头绰绰有余了，，你现在要考虑的是怎么防尘。。

yjj28

好文章学习了

DDIY家具

鹧鸪哨 发表于 2013-5-13 20:37
这是一个有些纠结的问题。。。

首先，，我们要忽略机械误差，比如机架刚性，丝杆回差，传动误差等等 ...

谢谢您的指导，精度0,05我觉得就够了，各轴滚珠丝杠想用2510的，用86BYG250H  扭矩12N M  轴径14MM  电流4.5A或5.6A 长度151MM步进电机。我觉得Z轴电机是不是有大点。Y,Z,轴进口30直线方轨已经买好了。X轴考虑直径30园带坐直线轨。这样配置可以吗?    我对雕刻机不很了解，由于工作需要做一台，想请您多指点。

鹧鸪哨

DDIY家具 发表于 2013-5-13 19:21
你好看帖很久，正在D IY1.2米×2.4米木工雕刻机X轴双步进电机，Y轴Z轴，用多大电机？滚珠丝杠导程？请问您 ...

这是一个有些纠结的问题。。。

首先，，我们要忽略机械误差，比如机架刚性，丝杆回差，传动误差等等乱七八糟的，因为这些都考虑进去，那么第一步就无法做了，，估计也只有大牌机床厂才有专门的人来研究这些事情。。

第二步，确定需求的理论上机械的最小分辨率，也就是我们常说的精度，你做木工的话，，想必也不需要很高的分辨率，，因为即便很高，在软质的木头上也体现不出来。。。个人觉得对木头而言0.05mm绰绰有余。。

第三步，确定好步进电机实际工作最大的转速，，这么大机器，木料一张价格高，，所以要求步进不能丢步损失木料，，，这里确定步进最高工作在300～500转

第四步，木工雕刻需要提高工作效率，而且本身材质软，所以F值一般都很高，那么整个系统的惯性也就非常高了，，个人建议两相相110步进，或者12牛米的86步进，为什么是两相，因为价格便宜，二手驱动也好找，关键是驱动器必须要高压。。二手的110V驱动器，不到两百块钱，，，你选三相的话，价格就高了。。。

第五步，先前理论精度确定了0.05mm满足要求，，那么假设驱动器为4细分，，也就是步进需要800步走一圈，，也就是导程为0.05X800=40mm   属于大导程丝杆，新货价格都有点贵，可以看看二手洋垃圾，，因为你的机器本身对精度要求不高，侧重在高效率。。。


到这里，，要说明一下，，为什么上面一直要求在满足精度要求的情况下选大导程，，，因为这个时候，可以算F值，，，按上面说的导程40mm，，步进最高工作300～500转，，那么F值最大就就是40*500=20000，，也就是F20000，，，也就是一分钟移动20米，，2.4的雕刻机，从头到尾不要8秒钟。。

如果你选择常用的1605，，，那么F值只能到F2500，，也就是一分钟移动2米五，，，，你2.4米的雕刻机，，，，从头移动到尾巴，要一分钟。。。。你能忍受吗？？？？


到这里想必你应该清楚了。。我上面说的40导程，，并不是一定要你选40，，，只是个举例说明，，核心意思是，你这么大的机器，在满足精度要求的情况下，，尽量大导程，，，这样可以尽量提高工作效率。。

而且精度要求不高，大导程丝杆太贵了，完全可以用齿条来传动，，可以省很多钱，，，而且齿条不怕粉尘。。。齿条就好办，，X轴双齿条，然后用一根轴连着两个齿轮，分别对应双齿条上。。。这样的机械同步更可靠。。

另外用齿条的话，，。F值就要根据齿条的模数和齿轮的齿数来另外算了。。比方说，要F20000，齿条模3 ，齿轮一圈20齿，也就是一圈跑60mm，步进500转，同步带减速1.5，，正好得到F20000

DDIY家具

鹧鸪哨 发表于 2013-4-20 18:26
影响不明显的。。。小导程配合步进，确实可以提高机械的分辨率。。

但是普通的丝杆，本身精度误差较大 ...

你好看帖很久，正在D IY1.2米×2.4米木工雕刻机X轴双步进电机，Y轴Z轴，用多大电机？滚珠丝杠导程？请问您给说说，谢谢。

醉逍遥

顶哈  学习了

dzdiy

看到晚了，我的57+1605死活只能到F2000，感觉好慢，有什么办法提速不？

laxpo

学习了 感觉步进电机比较有学问

鹧鸪哨

蜡包 发表于 2013-4-20 17:45
如果我不要求速度呢？在保证丝杆精度的前提下，导程小，系统的分辨率就高吧，而且步进需要承担的扭力更小 ...

影响不明显的。。。小导程配合步进，确实可以提高机械的分辨率。。

但是普通的丝杆，本身精度误差较大，，已经决定了上面的分辨率大小影响不大。。

减少扭矩倒是真的。。。

不要求速度，，步进减速几倍使用也不错。。

蜡包

鹧鸪哨 发表于 2013-4-20 14:18
哥们。。。我上面早说了精度与导程无关。。。

导程会影响到步进的发挥。。因为步进转速有限。。

如果我不要求速度呢？在保证丝杆精度的前提下，导程小，系统的分辨率就高吧，而且步进需要承担的扭力更小。而且廉价的步进本身质量难以保障，与其把步进使用到极限，不如降低速度，所有的环节都工作在一个合适的范围呢

鹧鸪哨

蜡包 发表于 2013-4-19 23:40
那铣床呢？我打算用导程2的丝杆以达到高精度可以吗。

哥们。。。我上面早说了精度与导程无关。。。

导程会影响到步进的发挥。。因为步进转速有限。。

duanyz

ibmx31 发表于 2013-4-20 00:58
螺距40的丝杠轻易达到40米
我用螺距10的滑座都做到35米
有视频为证

你是用步进还是伺服啊？步进的转速能到3500转还能工作？

蜡包

鹧鸪哨 发表于 2013-4-19 15:12
这是常识了，，我很早就说过，雕刻机丝杆必须选用导程10以上的，才能符合步进电机的力矩特征。。

因为导 ...

那铣床呢？我打算用导程2的丝杆以达到高精度可以吗。