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步進電機驅動器電壓與電機特性關系

日期：2025-07-04 07:25

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摘要：

　　步進電機作為多極性（一般為50對極）同步電機，每改變一次定子的電流極性可以使得轉子轉1.8度步距角，因此可以作為電脈沖信號轉變為角位移或線位移的執行機構。實際上，步進電機的運行主要靠流過定子的電流產生力矩驅動轉子運行。電機電流的控制由步進電機驅動器完成，它把控制器發來的脈沖信號轉換成電機的角位移，因此可以把步進驅動器當作功率放大器，其主要任務是通過PWM調制出電機運行所需要的電流。步進驅動器控制步進電機的電流主要受到電機本身的定子電阻、電感以及步進運動過程中產生的反電動勢所影響。步進電機的電感和電流都比較小，對電流影響*大還是轉子運動在定子產生的反電動勢。因此主要分析反電動勢對電機力矩的影響。勻速運行時電機產生的基波電動勢呈正弦波，其表達式是：

E=pφmω，sin(θT)其中p為步進電機極對數，p=50；φm為電機反電動勢感應常數，與電機轉子所用的材料相關，ωT為轉子的角速度，θT為轉子位置。步進電機的極對數比普通的同步電機或交流電機大得多，因此，同樣的轉速會多產生好幾倍的反電動勢，此外轉子越大，反電動勢常數也就越大，所產生的反電動勢也會呈倍數提高。步進驅動器的任務是根據負載調制出定子所需要的電流，實際上是要滿足以下的物理方程：

　　U=IR+L dI/dt+E ，電壓U需要通過PWM調制產生，在每個周期為T的PWM中，需要計算導通時間ton，使得U=ton/t Ubus(0≤ton≤T)。由于電機的電阻R和電感L比較小，反電動勢是影響步進驅動器的主要因素，通過實驗可以知道一般的86步進電機在300轉左右，所產生的反電動勢*大會超過48V，57電機在450轉左右所產生的反電動勢在48V左右。電機反電動勢超過給定的母線電壓后，驅動器PWM調制進入“飽和”狀態，無法向電機提供能量，相反是吸收能量，因此電機的力矩也會逐漸衰減；速度越快越容易丟步。

　　因此步進驅動器電壓的選擇是根據所驅動的電機的型號有關，步進驅動器的電壓越高，PWM調制范圍越大，可以補償電機高速運轉所產生的反電動勢，越有利于電機高速運行。大力矩的電機需要配有高壓步進電機驅動器才能發揮出其高速性能，比如86步進電機在24V條件下高速性能會不如57電機，主要是因為高速條件下86電機容易產生比較高的反電動勢，使得步進驅動器的PWM調制很快進入飽和區，電流急劇衰減，引起力矩快速衰減。在高壓條件下，86電機的力矩才會發揮出來，產生比57大的力矩。這是步進驅動器和步進選電機選型所要注意的關鍵性問題。

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