步進(jìn)電動(dòng)機(jī)論文

1、姓 名 學(xué) 號(hào) 院、系 靈、部 專 業(yè) 完成時(shí)間 探 2009 級(jí) 控制電機(jī) 探 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 電氣工程系 電氣工程及其自動(dòng)化 2012年5月17日 i 目錄 一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)概述 2. 1.1 簡(jiǎn)介2. 1.2 分類3. 二、感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 3 2.1反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理 3 2.1.1 結(jié)構(gòu)：3. 2.1.2 旋轉(zhuǎn)：3. 2.1.3 力矩：4. 三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成7. 3.1脈沖信號(hào)的產(chǎn)生。5. 3.2功率放大5. 3.3細(xì)分驅(qū)動(dòng)器8. 四、步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用7. 4.1步進(jìn)電機(jī)的選擇7. 4.1.1步距角的選擇7. 4.1.2靜力矩的選擇7. 4.1.3電流的選擇7. 4.1.

2、4力矩與功率換算 9 4.2應(yīng)用中的注意點(diǎn) 8. 結(jié)束語(yǔ)：9. 參考文獻(xiàn)：9. 12 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。 它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。 可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移 量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速 度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本文詳細(xì)介紹了步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展史， 步進(jìn)電 機(jī)的分類以及步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī) 脈沖 發(fā)展 一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)概述 1.1簡(jiǎn)介 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制， 并將電脈沖激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng) 的角位移或線位移的離散值控制電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)每當(dāng)輸入一個(gè)電

3、脈沖就動(dòng)一 步，所以又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則有定位 和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入肘步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)， 每給它一個(gè) 脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格 成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、 頻率及電動(dòng) 機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在沒(méi)有脈沖輸入時(shí)， 在繞組電源的激勵(lì)下氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。 1.2分類 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按其輸出轉(zhuǎn)矩的大小來(lái)分，可以分為快速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和功率步進(jìn) 電動(dòng)機(jī)。快速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)工作頻率高而輸出轉(zhuǎn)矩較小，一般在N cm級(jí)，可 以作為

4、控制小型精密機(jī)床的工作臺(tái)（例線切割機(jī)床）也可以和液壓轉(zhuǎn)矩放大器組 成電液脈沖馬達(dá)去驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)，而功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩就比較 大是Nm級(jí)的，可以直接去驅(qū)動(dòng)機(jī)床的移動(dòng)部件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按其勵(lì)磁相數(shù)， 可以分為三相、四相、五相、六相甚至八相。一般來(lái)說(shuō)隨著相數(shù)的增加，在相同 頻率的情況下，每相導(dǎo)通電流的時(shí)間增加，各相平均電流會(huì)高些，從而使電動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩特性會(huì)好些，步距角亦小。但是隨著相數(shù)的增加，電動(dòng)機(jī)的尺寸就 增加，結(jié)構(gòu)亦復(fù)雜，目前多用 36相的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按其工作原理 來(lái)分，主要有磁電式和反應(yīng)式兩大類。 這里以廣泛的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)為例， 敘 述其基本工作原理。 二、感應(yīng)

5、子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 2.1反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理 由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡(jiǎn)單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理。 2.1.1結(jié)構(gòu)： 電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與 轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開(kāi)。 0、1/3疋、2/3 T ,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以疋表示），即A與齒1 相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開(kāi)1/3 T, C與齒3向右錯(cuò)開(kāi)2/3 T, A與齒5相對(duì)齊, （A就是A，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開(kāi)圖： 2.1.2旋轉(zhuǎn)： 如A相通電，B，C相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒1與A對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何 力以下均同）。 如B相通電，A，C相不通電時(shí)，齒2

6、應(yīng)與B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過(guò)1/3 T， 此時(shí)齒3與C偏移為1/3 T,齒4與A偏移（T -1/3 T） =2/3 T。 如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3 T， 此時(shí)齒4與A偏移為1/3 T對(duì)齊。 如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3 T 這樣經(jīng)過(guò)A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4 （即齒1前一齒）移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn) 子向右轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，如果不斷地按 A，B，C, A通電，電機(jī)就每步（每脈 沖）1/3 T ,向右旋轉(zhuǎn)。如按A, C, B, A通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 由此可見(jiàn)：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成對(duì)應(yīng)關(guān)系。而 方向由導(dǎo)

7、電順序決定。 不過(guò)，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步 1/3 T改變?yōu)?/6 T。甚至于通過(guò)二相 電流不同的組合，使其1/3 T變?yōu)?/12 T, 1/24 T,這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基 本理論依據(jù)。 不難推出：電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移 1/m,2/m（m-1）/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制這是 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn) 電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多 2.1.3力矩： 電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間

8、將產(chǎn)生磁場(chǎng)（磁通量）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開(kāi)一定角度 產(chǎn)生力F與（d/d 9 ）成正比 其磁通量=Br*S Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積 F與L*D*Br成正比 L為鐵芯有效長(zhǎng)度，D為轉(zhuǎn)子直徑 Br=N?l/R N?I為勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)） R為磁阻。 力矩=力*半徑 力矩與電機(jī)有效體積*安匝數(shù)*磁密 成正比（只考慮線性狀態(tài)） 因此，電機(jī)有效體積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大, 反之亦然。 三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成 使用,控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如 下： 信號(hào)分配 功率放大 步進(jìn)電機(jī) 3.1脈沖信號(hào)的產(chǎn)生。 脈沖信號(hào)一般由單片機(jī)或 CPU產(chǎn)生，

9、一般脈沖信號(hào)的占空比為0.3-0.4左右，電 機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。 3.2功率放大 功率放大是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的 動(dòng)態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電 機(jī)力矩越大，要達(dá)到平均電流大這就需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢(shì)。因而 不同的場(chǎng)合采取不同的的驅(qū)動(dòng)方式， 到目前為止，驅(qū)動(dòng)方式一般有以下幾種：恒 壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。 CF1I 卑片機(jī)或 CP A OPTO - A 紅 晅B DIR B VCC GND 1 1 說(shuō)明： CP接CPU脈沖信號(hào)（負(fù)信號(hào)，低電平有效） OPTO接 CPU+5V F

10、REE脫機(jī)，與CPU地線相接，驅(qū)動(dòng)電源不工作 DIR方向控制，與CPU地線相接，電機(jī)反轉(zhuǎn) VCC直流電源正端 GND直流電源負(fù)端 步進(jìn)電機(jī)一經(jīng)定型，其性能取決于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，力距越 大則要求電機(jī)的電流越大，驅(qū)動(dòng)電源的電壓越高。電壓對(duì)力矩影響如下： 3.3細(xì)分驅(qū)動(dòng)器 在步進(jìn)電機(jī)步距角不能滿足使用的條件下，可采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)， 細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的原理是通過(guò)改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場(chǎng)的夾角 來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的。 四、步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用 4.1步進(jìn)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要 素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定

11、下來(lái)了。 4.1.1步距角的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求， 將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī) 軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此 角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9 度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度（三相電機(jī)）等。 4.1.2靜力矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選 擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣 性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均 要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，

12、 恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。 一般情 況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度 便能確定下來(lái)（幾何尺寸） 4.1.3電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性 曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓） 綜上所述選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循以下步驟：負(fù)載f步距角f凈轉(zhuǎn)矩f電流f電機(jī)型 號(hào) 4.1.4力矩與功率換算 步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來(lái)衡量， 力矩與功率換算如下： P= Q ?M Q =2 n ?n/60 P=2n nM/60 其P為功率單位為瓦，Q為每秒角速度，單位為弧度，n為每

13、分鐘轉(zhuǎn)速，M為力 矩單位為牛頓？米 P=2n fM/400（半步工作） 其中f為每秒脈沖數(shù)（簡(jiǎn)稱PPS） 4.2應(yīng)用中的注意點(diǎn) 1）步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場(chǎng)合-每分鐘轉(zhuǎn)速不超過(guò)1000轉(zhuǎn)，（0.9度時(shí)6666PPS, 最好在1000-3000PPS（0.9度）間使用，可通過(guò)減速裝置使其在此間工作，此時(shí) 電機(jī)工作效率高，噪音低。 2）步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。 3）由于歷史原因，只有標(biāo)稱為12V電壓的電機(jī)使用12V外，其他電機(jī)的電壓值不 是驅(qū)動(dòng)電壓伏值，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器選擇驅(qū)動(dòng)電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V， 86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），

14、當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū) 動(dòng)外也可以采用其他驅(qū)動(dòng)電源， 不過(guò)要考慮溫升。 4）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號(hào)電機(jī)。 5）電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速， 一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。 6）高精度時(shí)，應(yīng)通過(guò)機(jī)械減速、提高電機(jī)速度，或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器來(lái)解決， 也可以采用5相電機(jī)，不過(guò)其整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說(shuō) 法是外行話。 7）電機(jī)不應(yīng)在振動(dòng)區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過(guò)改變電壓、電流或加一些阻尼的解 決。 8）電機(jī)在600PPS（0.9度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)。 9）應(yīng)遵循先選電機(jī)后

15、選驅(qū)動(dòng)的原則。 究 溫 停 d片 S單 Ann 系統(tǒng)的研制 結(jié)束語(yǔ)： 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)， 交流 電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方 可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許 多專業(yè)知識(shí)。主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，精度高，運(yùn)行可靠。如采用位置檢 測(cè)和速度反饋，亦可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。如數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī) 外圍設(shè)備、自動(dòng)記錄儀、鐘表等之中，另外在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線、印刷設(shè) 備等中亦有應(yīng)用。目前，生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員， 能夠自行開(kāi)發(fā)，研制的廠家卻非常少。僅僅處于一

16、種盲目的仿制階段。 這就給用 戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。 通過(guò)本書(shū)的學(xué)習(xí)我對(duì)步進(jìn)電機(jī)有了新的了解，原來(lái)步進(jìn)電機(jī)也是有很多型 號(hào)的，而且目前我國(guó)在步進(jìn)電機(jī)這方面發(fā)展的不比國(guó)外好， 很多技術(shù)都不如國(guó)外， 這是值得我們學(xué)習(xí)的，但是在我國(guó)近年來(lái)也是迅速發(fā)展，相信步進(jìn)電機(jī)在以后在 各個(gè)領(lǐng)域都會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。 參考文獻(xiàn)： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)成都電機(jī)廠編步進(jìn)電機(jī) 刁節(jié)濤等編數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì).國(guó)防科技大學(xué)出版社 西安微電研究所編.控制微電機(jī)設(shè)計(jì) 錯(cuò)研控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究 丹研究PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對(duì)良率的影響 控切系統(tǒng)的研制 校正（研究Str）調(diào)節(jié)器 7 p協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn) !的研集與處理技術(shù)的研究 制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā) 實(shí)持控制面板的研制 的濁度儀的研制 I發(fā)線切