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步进电机驱动器电压与电机特性关系

日期：2025-04-30 23:29
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摘要：
　　步进电机作为多极性（一般为50对极）同步电机，每改变一次定子的电流极性可以使得转子转1.8度步距角，因此可以作为电脉冲信号转变为角位移或线位移的执行机构。实际上，步进电机的运行主要靠流过定子的电流产生力矩驱动转子运行。电机电流的控制由步进电机驱动器完成，它把控制器发来的脉冲信号转换成电机的角位移，因此可以把步进驱动器当作功率放大器，其主要任务是通过PWM调制出电机运行所需要的电流。步进驱动器控制步进电机的电流主要受到电机本身的定子电阻、电感以及步进运动过程中产生的反电动势所影响。步进电机的电感和电流都比较小，对电流影响*大还是转子运动在定子产生的反电动势。因此主要分析反电动势对电机力矩的影响。匀速运行时电机产生的基波电动势呈正弦波，其表达式是：
E=pφmω，sin(θT)其中p为步进电机极对数，p=50；φm为电机反电动势感应常数，与电机转子所用的材料相关，ωT为转子的角速度，θT为转子位置。步进电机的极对数比普通的同步电机或交流电机大得多，因此，同样的转速会多产生好几倍的反电动势，此外转子越大，反电动势常数也就越大，所产生的反电动势也会呈倍数提高。步进驱动器的任务是根据负载调制出定子所需要的电流，实际上是要满足以下的物理方程：
　　U=IR+L dI/dt+E ，电压U需要通过PWM调制产生，在每个周期为T的PWM中，需要计算导通时间ton，使得U=ton/t Ubus(0≤ton≤T)。由于电机的电阻R和电感L比较小，反电动势是影响步进驱动器的主要因素，通过实验可以知道一般的86步进电机在300转左右，所产生的反电动势*大会超过48V，57电机在450转左右所产生的反电动势在48V左右。电机反电动势超过给定的母线电压后，驱动器PWM调制进入“饱和”状态，无法向电机提供能量，相反是吸收能量，因此电机的力矩也会逐渐衰减；速度越快越容易丢步。
　　因此步进驱动器电压的选择是根据所驱动的电机的型号有关，步进驱动器的电压越高，PWM调制范围越大，可以补偿电机高速运转所产生的反电动势，越有利于电机高速运行。大力矩的电机需要配有高压步进电机驱动器才能发挥出其高速性能，比如86步进电机在24V条件下高速性能会不如57电机，主要是因为高速条件下86电机容易产生比较高的反电动势，使得步进驱动器的PWM调制很快进入饱和区，电流急剧衰减，引起力矩快速衰减。在高压条件下，86电机的力矩才会发挥出来，产生比57大的力矩。这是步进驱动器和步进选电机选型所要注意的关键性问题。 
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