详解步进电机(中)

步进电机是一种直接将电脉冲转化为机械运动的机电装置， 通过控制施加在电机线圈上的电脉冲顺序、 频率和数量， 可以实现对步进电机的转向、 速度和旋转角度的控制。在不借助带位置感应的闭环反馈控制系统的情况下、 使用步进电机与其配套的驱动器共同组成的控制简便、 低成本的开环控制系统， 就可以实现精确的位置和速度控制。

此前，我们发布了《详解步进电机（上）》，今天将继续以鸣志步进电机为例，介绍步进电机的技术参数与术语。



01
负载

A.  力矩负载 (Tf)Tf = G * rG： 负载重量r： 半径
B.  惯量负载 (TJ)TJ = J * dw/dtJ = M * (R12+R22) / 2 (Kg * cm)M: 负载质量R1: 外圈半径R2: 内圈半径dω/dt: 角加速度



02
速度-力矩曲线

速度-力矩曲线是步进电机输出特性的重要表现形式。



A.  工作频率点
电机在某一点的转速值。n = q * Hz / (360 * D)n: 转/秒Hz: 频率值D: 驱动电路细分值q: 步距角
例如： 距角1.8°的步进电机， 在 1/2 细分驱动方式下(即每步 0.9°) ， 工作频率 500Hz 时的转速为1.25r/s.

B.  自启动区域
步进电机可以直接启动和停止的区域。
C.  连续运行区域
在该区域内， 电机无法直接启动或停止。 电机在该区域内运行必须先经过自启动区域， 然后经过加速达到该工作区域运行。 同理， 电机在该区域内也无法直接制动， 否则容易造成电机失步， 必须先经减速到达自启动区域内再制动。
D.  最高启动频率
电机空载状态下， 保证电机不丢步运行的最大脉冲频率。
E.  最高运行频率
空载情况下， 已励磁电机运行而不丢步的最高脉冲频率。
F.   启动力矩/牵入力矩
满足步进马达在一定脉冲频率下启动并开始运行， 不失步的最大负载力矩。
G.  运行力矩/牵出力矩
满足步进马达在一定脉冲频率下稳定运行， 不失步的最大负载力矩。
03
加速/减速运动控制
当电机运行频率点在速度-力矩曲线的连续运行区域内时， 如何缩短电机启动或停止时的加速或减速时间， 使电机更长时间地运行在最佳速度状态， 从而提高电机的有效运行时间是非常关键的。
如下图所示， 步进电机的动态力矩特性曲线， 低速运行时曲线为水平直线状态； 高速运行时， 由于受到电感的影响， 曲线发生了指数下降。



A. 低转速状态下的直线加速运行
已知电机负载为TL， 假设想从F0 在最短时间 (t r)内加速到F1， 如何来计算最短时间 t r ?
(1) 通常情况下 TJ = 70%Tm(2) tr = 1.8 * 10 -5 * J * q * (F1-F0)/(TJ -TL)(3) F (t) = (F1-F0) * t/tr + F0, 0<t<tr
B. 高转速状态下的指数加速运行
(1) 通常情况下TJ0 = 70%Tm0TJ1 = 70%Tm1TL = 60%Tm1
(2)tr = F4 * In [(TJ 0-TL)/(TJ 1-TL)]
(3)F (t) = F2 * [1 – e^(-t/F4)] + F0, 0<t<trF2 = (TL-TJ 0) * (F1-F0)/TJ 1-TJ 0)F4 = 1.8 * 10-5 * J * q * F2/(TJ 0-TL)备注：J 表示电机转子加负载时的转动惯量。q 表示每一步的转动角度， 在整部驱动时就是指电机的步距角。在减速运行时， 只需将上述的加速脉冲频率反转过来计算就可以了。
04
振动与噪音
一般来讲， 步进电机在空载运行情况下， 当电机的运行频率接近或等于电机转子的固有频率时会发生共振，严重的会发生失步现象。
针对共振的几种解决方案:
A. 避开振动区：使电机的工作频率不落在振动范围内
B. 采用细分的驱动模式：使用微步驱动模式， 将原来的一步细分为多步运行， 提高电机的每步分辨率， 从而降低振动。这可以通过调整电机的相电流比来实现的。微步并不会增加步距角精确度， 却能使电机运行更加平稳， 噪音更小。一般电机在半步运行时， 力矩会比整步时小15%， 而采用正弦波电流控制时， 力矩将减小30%。