步进电机驱动器知识讲座

单位：雷赛机电技术开发限公司
部门：产品部
容
步进电动机简介
二驱动器简介
三电机选型计算方法
四计算例题
五雷赛公司步进驱动器命名方法
六雷赛公司驱动器产品线介绍
七电机接线
八评判步进系统坏
九程中常见问题原分析
十步进驱动系统常见问题 （FAQ)
十步进电动机交流伺服电动机性较
十二驱动器产品测试步进电动机简介
1 步进电动机历史
2 步进电动机定义
3 步进电动机工作原理
4 步进电动机机座号
5 步进电动机构造
6 步进电动机参数
7 步进电动机特点步进电动机简介
1 步进电动机历史 ：德国百格拉公司 1973年发明五相混
合式步进电机驱动器 1993年推出性更加优越三相
混合式步进电机国 80年代前直反应式步进电机占
统治位混合式步进电机 80年代期开始发展
2 步进电动机定义： 种专门速度位置精确控制
特种电机旋转固定角度（称步距角）步步运行
称步进电机
3 步进电动机工作原理
单极性电机例解释
工作原理4444 步进电动机机座号： 3539425786110等
5 步进电动机构造： 转子（转子铁芯永磁体转轴滚珠
轴承）定子（绕组定子铁芯）前端盖等组成典型两相
混合式步进电机定子 8齿40齿转子50齿
三相电机定子 9齿45齿转子 50齿
电动机构造图 转轴成行方断面图6666 步进电动机参数
① 步进电机相数：指电机部线圈组数目前常
两相三相五相步进电机
② 拍数：完成磁场周期性变化需脉数导电状态 m
表示指电机转齿距角需脉数
③ 保持转矩：指步进电机通电没转动时定子锁住转子
力矩
④ 步距角：应脉信号电机转子转角位移
⑤ 定位转矩：电机通电状态电机转子身锁定力矩
⑥ 失步：电机运转时运转步数等理步数
⑦ 失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线角度电机运转必存
失调角失调角产生误差采细分驱动解决
⑧ 运行矩频特性：电机某种测试条件测运行中输出力矩
频率关系曲线 7777 步进电机特点
① 般步进电机精度步距角 35累积
② 步进电机外表允许高温度取决电机磁性材料退磁点
③ 步进电机力矩会转速升高降（ UE+L(didt)+IUE+L(didt)+IUE+L(didt)+IUE+L(didt)+I****RRRR）
矩频特性曲线 ④ 空载启动频率：步进电机空载情况够正常启动脉
频率果脉频率高该值电机正常启动
发生丢步堵转
步进电机起步速度般 10~100RPM伺服电机起步
速度般100~300RPM根电机负载情况定
电机般应较低起步速度
⑤ 低频振动特性：步进电动机连续步距状态边移动边重复
运转步距状态移动会产生 1 步距响应
1 步距响应图电机驱动电压越高电机电流越负载越轻电机体积越
振区偏移反然 步进电机低速转动时振动噪声
固缺点克服两相混合式步进电机低速运转时振
动噪声方法：
a 通改变减速等机械传动避开振区
b 采带细分功驱动器
c 换成步距角更步进电机
d 选电感较电机
e 换成交流伺服电机完全克服震动噪声成高
f 采电流低电压驱动
g 电机轴加磁性阻尼器
⑥ 中高频稳定性
电机固频率估算值：
式中：Zr转子齿数Tk电机负载转矩 J转子转动贯量
J
TZf kr
π2
1
0 二步进驱动器简介
1 恒流驱动
2 单极性驱动
3 双极性驱动
4 微步驱动
5 步进电动机闭环伺服控制
6 导通截止时电机绕组电流电压关系
7 电压电流转速转矩关系 二步进驱动器简介
步进驱动器： 种步进电机运转功率放器控制器
发脉信号转化步进电机角位移电机转速脉频率
成正控制脉频率精确调速控制脉数精确
定位
电机控制原理图1 恒流驱动
恒流控制基思想通控制
电路中MOSFET导通时间调节
MOSFET触发信号脉宽度达
控制输出驱动电压进控制电机
绕组电流目
H桥恒频斩波恒相流驱动电路原理框图 电流PWM细分驱动电路示意图 2 单极性驱动
单极性驱动原理图
3 双极性驱动
双极性驱动原理图4 微步驱动
微步驱动技术种电流波形控制技术基思想控制相绕
组电流波形阶梯升降 0值间出
稳定中间状态定子磁场旋转程中稳定中
间状态应电机转子旋转步数增步距角减 采细分
驱动技术提高步进电机步矩分辨率减转矩波动避
免低频振降低运行噪声
步进电动机微步驱动电路基结构框图 步距角：控制系统发步进脉信号电机转动角度
V：电机转速（RS）P：脉频率（Hz）θe：电机固步距角


实公式：转速(rs）脉频率 （电机转整步数 *细分数）
m
PsrV e
× 360)( θ
m：细分数（整步 1半步2）
0045° 驱动器工作40细分状态 09°18°
009° 驱动器工作20细分状态 09°18°
018° 驱动器工作10细分状态 09°18°
036° 驱动器工作5细分状态 09°18°
09° 驱动器工作半步状态 09°18°
电机运行时真正步距角 驱动器类型工作状态 电机固步距角 电机绕组电流波形分析5 步进电动机闭环伺服控制
步进电动机矢量控制位置伺服系统框图
系统硬件结构原理图 6导通截止时电机绕组电流电压关系
T导通时： Edt
diLRiU ++ 1
1
T截止时： Edt
diLi ++ 2
207 电压电流转速转矩关系
① 步进电机定时供驱动器电压值电机性影响
电压越高步进电机产生力矩越越利需高速应
场合电机发热着电压电流增加加
注意电机温度超限值
② 供参考验值：步进电机驱动器输入电压般设定 步进
电机额定电压 3~25倍建议：57机座电机采直流24V48V86机座
电机采直流3670V110机座电机采高直流80V
③ 变压器降压然整流滤波直流电源滤波电
容容量工程验公式选取： C（8000 X I） V（uF）
I绕组电流（A）V直流电源电压（ V）三电机选型计算方法
1 电机速度选择
2 电机定位精度选择
3 电机力矩选择三电机选型计算方法
选择电机般应遵循步骤：
1 电机速度选择
步进电机速度般 600～1200 rpm
交流伺服电机额定速度般 3000 rpm转速 5000rpm
机械传动系统根参数设计 2 电机定位精度选择
机械传动确定根控制系统定位精度选择步进电机
步距角驱动器细分等级般选电机步距角应
系统定位精度12 更
注意：细分等级14步距角精度保证
伺服电机编码器分辨率选择：分辨率定位精度高数量
级
3 电机力矩选择
步进电机动态力矩子难确定先确定电机静
力矩静力矩选择电机工作负载负载分惯
性负载摩擦负载二种直接起动时（般低速）时二种负
载均考虑加速起动时考虑惯性负载恒速运行进
考虑摩擦负载般情况静力矩应摩擦负载 23倍
静力矩旦选定电机机座长度便确定（
尺寸）
• 转动惯量计算
物体转动惯量： 式中：dV体积元ρ
物体密度r体积元转轴距离单位： kgm2
∫ ⋅ dVrJ ρ2负载质量换算电机输出轴转动惯量常见传动机构公式：② 加速度计算
控制系统定位准
确物体运动必须
加减速程
右图示
已知加速时间 速度Vmax电机角加速度： t∆
t∆ maxωε (rad s2)
③ 电机力矩计算
力矩计算公式：
ηε )(LTJT +∗
式中：TL系统外力折算电 机力矩
η传动系统效率四计算例题（直线运动）
1 运动学计算
2 动力学计算
3 选择步带直径Φ步进电机细分数m
4 计算电机力矩选择电机型号四计算例题（直线运动）
已知：直线台水复运动行程 L＝400 mm步带
传动复运动周期 T ＝ 4s重复定位误差 ≤ 005 mm
台运动质量M ＝ 10 kg外力
求：电机型号步带轮直径细分数
台结构简图
1 运动学计算
均速度：
设加速时间01 S(步进电机般取加速时间： 01~1秒)
( 伺服电机般取加速时间： 005~05秒)
加减速时间 02 S加减速程均速度速度
半
smV 20240 ：L ＝ 02 × Vmax 2 ＋ 18 × Vmax ＝ 04 m
： Vmax ＝ 04 （ 02 2 ＋ 18 ）＝ 0211 ms
加速度： 2ms 11210
02110
t
V a −∆
∆
加速距离：
匀速距离：
减速距离加速距离相
m 01060101122
1
2
1 22
001 ××++ atVSS
m 3800812110max2 ×× tVS
m 0106013 SS
m 4010321 ++ SSSS
2 动力学计算
步带需拉力： F ＝ M a + f
摩擦力：f ＝ µ M g
设导轨摩擦系数 µ＝ 01
摩擦力：f ＝ 01 × 10 × 98 ＝ 98 N
惯性力 F1 ＝ M a ＝ 10 × 211 ＝ 211 N
：步带拉力 F ＝ F1+ f ＝ 211＋98＝ 309 N
3 选择步带直径 Φ步进电机细分数 m
设步带直径Φ＝30 mm
周长C＝314 × Φ ＝ 314 × 30 ＝ 942 mm
核算定位精度：脉量 δ ＝ C (200 × m) < 005
m > C (200 × 005) 942 (200 × 005) 942
核算转速：nmax ＝ Vmax C ＝ 0211 (9421000) ＝224 rs
第2级动轮直径取： Φ3＝ 30 mm
第1级动轮直径取： Φ1＝ 25 mm
减速取：i ＝ 1 ：3
显然细分数太转速太低
步带直径 2倍增加级减速第1级动轮直径取： Φ2＝75 mm
电机转速：
驱动器细分数：
取4细分合适
实际脉量：
4 计算电机力矩选择电机型号
第2级动轮力矩： T2＝F×Φ3 2
第1级动轮电机轴力矩： T1＝T2× i ＝F× Φ3 2 × i 0155 Nm
没考虑步带效率导轨滑块装配误差造成摩擦步带
轮摩擦转动惯量等素时步进电机高速时扭矩幅度
降取安全系数 3较保险
电机力矩To＝0155 × 3 ＝ 0465 Nm
)(7263 maxmax srCVn ×
143)050200( ×> iCm
mmimC 040)200( ×δ选57HS09静力矩 09 Nm57HS09类似电机矩
频特性图：
2细分（半步）：
nmax＝403 rmin ＝2687pps 时T＝ 50 N cm＝ 05 N m五雷赛公司步进驱动器命名方法六雷赛公司驱动器产品线介绍
M415M420MA335BM325驱动器性M系列接适合
24V左右应成较低备注
电机驱动发热
中低速噪声
低成系列包括
ME432M542ME742
ME872第二代产品
包括两相三相产
品两相
MD556MD882MD
2278三相
3MD5603MD228
0属第二代产品
低噪声成较M
系列低较ME系列
高
M880M840M860M
535 四型号基
IMS技术第代产
品综合性较
成高
系列概述
成
高速性
低速稳性
MEMEMEME系列 MDMDMDMD系列 MMMM系列 七电机接线方法
1111 步进电机驱动器接线方法
① 光电隔离原件作：电气隔离抗干扰
② 阳极接法阴极接法差分方式接法
阳极接法 阴极接法差分方式典型接线方法2 468线电机接线方法
a) 四线电机六线电机高速度模式：输出电流设成等略电机额定
电流值
b) 六线电机高力矩模式：输出电流设成电机额定电流 07倍
c) 八线电机联接法：输出电流应设成电机单极性接法电流 14倍
d) 八线电机串联接法：输出电流应设成电机单极性接法电流 07倍 八评判步进系统坏
1）振动噪音（运行稳性）
2）中高速力矩
3）温升（发热情况）
4）保护功
5）性九程中常见问题原分析 十步进驱动系统常见问题
1什步进电机？种情况该步进电机？
　　步进电机种电脉转化角位移执行机构通俗点讲：步进驱动器
接收脉信号驱动步进电机设定方转动固定角度（步进
角）
　　您通控制脉数控制角位移量达准确定位目时您
通控制脉频率控制电机转动速度加速度达调速目需
准确定位调速控制时均考虑步进电机
2步进电机分种？什区？
　　步进电机分三种：永磁式（ＰＭ）反应式（ＶＲ）混合式（ＨＢ）
　　永磁式步进般两相转矩体积较步进角般75度15度
　　反应式步进般三相实现转矩输出步进角般15度噪声振动
欧美等发达国家８０年代已淘汰
　　混合式步进指混合永磁式反应式优点分两相四相五相：两相
步进角般18度五相步进角般072度种步进电机应广泛
3什保持转矩(HOLDING TORQUE）？
　　保持转矩（ＨＯＬＤＩＮＧ　ＴＯＲＱＵＥ)指步进电机通电没转动时定
子锁住转子力矩步进电机重参数通常步进电机低速时力矩
接保持转矩保持转矩越电机带负载力越强步进电机输出力矩速
度增断衰减输出功率速度增变化保持转矩成衡量
步进电机重参数说2Nm步进电机没特殊说明情况
指保持转矩2Nm步进电机 4步进电机驱动方式种？
　　般说步进电机恒压恒流驱动两种恒压驱动已淘汰目前普遍
恒流驱动
5步进电机精度少？否累积？
　　般步进电机精度步进角35步进电机单步偏差会影响步
精度步进电机精度累积
6步进电机外表温度允许达少？
　　步进电机温度高首先会电机磁性材料退磁导致力矩降甚丢失
电机外表允许高温度应取决电机磁性材料退磁点般说磁性
材料退磁点摄氏１３０度步进电机外表温度摄氏８０－９０度完
全正常
7什步进电机力矩会转速升高降？
　　步进电机转动时电机相绕组电感形成反电动势频率越高反
电动势越作电机频率（速度）增相电流减导
致力矩降
8什步进电机低速时正常运转高定速度法启动伴啸
声
　　步进电机技术参数：空载启动频率步进电机空载情况够正常启
动脉频率果脉频率高该值电机正常启动发生丢步堵转
负载情况启动频率应更低果电机达高速转动脉频率应该
加速程启动频率较低然定加速度升希高频（电机转速低速
升高速）建议空载启动频率选定电机运转圈需脉数２倍 9克服两相混合式步进电机低速运转时振动噪声？
　　步进电机低速转动时振动噪声固缺点般采方案克服：
　　A步进电机正工作振区通改变减速提高步进电机运行速度
　　Ｂ采带细分功驱动器常简便方法细分型驱动器
电机相电流变流较半步型缓
　　Ｃ换成步距角更步进电机三相五相步进电机两相细分型步进电机
　　Ｄ换成直流交流伺服电机完全克服震动噪声成较高
　　Ｅ电机轴加磁性阻尼器市场已种产品机械结构改变较
10细分驱动器细分数否代表精度？
　　步进电机细分技术实质种电子阻尼技术（请参考关文献）目
减弱消步进电机低频振动提高电机运转精度细分技术附带功
步进角18度两相混合式步进电机果细分驱动器细分数设置４
电机运转分辨率脉045度电机精度否达接045度取决细分
驱动器细分电流控制精度等素厂家细分驱动器精度差细分
数越精度越难控制
11四相驱动合式步进电机驱动器串联接法联接法什区？
　　 四相混合式步进电机般两相驱动器驱动连接时采串联接法
联接法四相电机接成两相串联接法般电机转速较场合时需
驱动器输出电流电机相电流07倍电机发热联接法般电机转速较高
场合（称高速接法）需驱动器输出电流电机相电流14倍电
机发热较 12确定步进电机驱动器直流供电电源？
　　 Ａ供电电源供电电压确定
混合式步进电机驱动器供电电源电压般较宽范围电源电压通常根电
机工作转速响应求选择果电机工作转速较高响应求较快电压
取值高注意电源电压纹波超驱动器输入电压否损坏驱
动器果电机工作转速较低考虑电压选取较低值
　　 Ｂ供电电源输出电流确定
供电电源电流般根驱动器输出相电流Ｉ确定果采线性电源电源电流
般取Ｉ1113倍果采开关电源电源电流般取Ｉ1520倍果
供电源时驱动器供电应考虑供电电源电流应适加倍
13混合式步进电机驱动器信号Ｅna般什情况？
　　 信号Ｅna低电时驱动器输出电机电流切断电机转子处
状态（脱机状态）动化设备中果驱动器断电情况求
手动直接转动电机轴Ｅna置低电机脱机进行手动操作调节手
动完成Ｅna信号置高继续动控制
14简单方法调整两相步进电机通电转动方？
　　 需电机驱动器接线Ａ+A（者B+B)调 十步进电动机交流伺服电动机性较
1 控制精度
2 低频特性
3 矩频特性
4 载力
5 运行性
6 速度响应性
7 效率指标十步进电动机交流伺服电动机性较
1 控制精度
两相步进电机步距角 18°德国百格拉公司生产三相混合
式步进电机驱动器细分控制实现步距角 18°
09°072°036°018°009°0072°
0036°兼容两相五相步进电机步距角交流伺服电动
机控制精度电动机端编码器保证带标准 2500线
编码器电动言驱动器部采 4倍频率技术脉
量360°100000036 ° 带17位编码器电动机
言驱动器接收 217 131072脉电动机转圈脉
量360°131072000274658 °步距角18°步进
电机脉量 1655 2 低频特性
两相混合式步进电动机低速运转时易出现低频振动现象交流伺
服电动机运转非常稳低速时会出现低频振动现象
3 矩频特性
步进电动机输出力矩转速升高降较高速会急剧
降交流伺服电动机恒力矩输出额定转速（ 3000RPM）
输出额定转矩
4 载力
步进电动机般具载力交流伺服电动机较强载
力般转矩额定转矩 3倍克服惯性负载
启动瞬间惯性力矩步进电动机没种载力选型
时克服种惯性力矩需选取较转矩电动机便出
现力矩浪费现象 5 运行性
步进电动机控制开环控制启动频率高负载易出现
丢步堵转现象停止时转速高易出现现象
保证控制精度应处理升降速问题交流伺服驱动系
统闭环控制部构成位置环速度环般会出现丢步
现象控制性更
6 速度响应性
步进电动机静止加速工作速度（般百 RPM）需200~400ms
交流伺服驱动系统加速性较静止加速工作速度（
3000RPM）般仅需毫秒快速启动控制场合
7 效率指标
步进电动机效率较低般 60交流伺服电机效率较高
般80步进电动机温升交流伺服电机高 2 三系列典型驱动器（ MD882M860AME872）温升
MD882： 522626KM860A： 522626K ME872： 622636K
试验条件：配试电机 86HS8568VDC速度2RS8细分驱动器
设定电流值（实测值： MD882：9AM860A：72A
ME872：72A）三种驱动器壳体盖子完全样
结：温升指标差 MD882M860AME872
特注明： MD882M860A温升致26K考虑MD882
试验电流 M860A试验电流说明 MD882温升
M860A 3333 电流波形
M860A MD882 ME87286HS85M860MD882驱动矩频曲线
000
040
080
120
160
200
240
280
320
360
400
440
480
520
560
600
640
680
720
0 300 600 900 1200 1500
转速(rmin)
转矩（nm)
雷赛86HS85+雷赛M860
雷赛86HS85+雷赛MD882
4 M860MD882矩频曲线 M860细分转矩
000
050
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100
转速(rmin)
转矩（nm)
2细分
8细分
16细分
5 雷赛M860细分矩频曲线峰值电流 72A
电机 86HS85
31 157 126 275 570 080
34 128 94 215 595 060
34 98 64 160 615 040
39 68 29 105 645 020
14 14 0 020 680 000
1500
输入输出
(W)
输入功率
（W)
输出功率
（W）
电流
（A)
电压
（V)
转矩
（nm)
转速
（rmin)
速度设定：1500RPM仪器 测功机
细分 16
驱动器 M860
6 M860驱动86HS85转矩 输入功率8 美国AMP公司 STAC6雷赛MD2278矩频曲线
雷赛MD2278AMP STAC6S矩频特性
000
040
080
120
160
200
240
280
320
360
400
440
480
520
560
600
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400转速(rmin)
转矩（nm)
雷赛 86HS85+雷赛 MD2278
雷赛 86HS85+AMP STAC6S12 百格拉D921雷赛3ND583矩频曲线
步进驱动器电机组合矩频曲线
000
020
040
060
080
100
120
140
160
0 300 600 900 1200 1500
转速(rmin)
转矩（NM)
百格拉 VRDM368+雷赛3ND583
百格拉 VRDM368+百格拉 D921
雷573S15+雷赛3ND583
雷573S15+百格拉 D921
百格拉 VRDM368+ST3HB0513 张昆2M860雷赛M860矩频特性
雷赛M860张昆2M806矩频特性
000
040
080
120
160
200
240
280
320
360
400
440
480
520
560
600
640
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400转速 (rmin)
转矩（nm)
雷赛M860+雷赛86HS85
张昆2M806+雷赛86HS8517 M860MA860 低速绕组电流波形噪音
测试条件 步进电机：86HS85电源：PS806细分：1600PPR
低速噪音 测试速度点 M860振动噪音 MA860转速(RPS) M860S MA86018 关泵升电压问题
150ms1泵升电压形成原
2泵升电压果：导致压保护烧 MOSIGBT功率
器件
3预防措施19 关驱动器电时问题：
电时欠压保护锁定功导致非预期亮红灯报警原处理措施

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