步進電機的工作原理

1、1. 步進電機的工作原理該步進電機為一四相步進電機， 采用單極性直流電源供電。 只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電， 就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。 圖 1 是該四相反應式步進電機工作原理示意圖。圖 1 四相步進電機步進示意圖開始時，開關 sb接通電源， sa 、sc 、sd斷開，b相磁極和轉(zhuǎn)子 0、3 號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4 號齒就和 c 、d相繞組磁極產(chǎn)生錯齒， 2、5 號齒就和 d 、a相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當開關 sc接通電源， sb 、sa 、sd斷開時，由于 c相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4 號齒和 c相繞組的磁極對齊。而0、3 號齒和 a、b相

2、繞組產(chǎn)生錯齒， 2、5 號齒就和 a、d相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推， a、b、c、d四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著a、b、c、d方向轉(zhuǎn)動。四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、 雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。 八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2.a 、b、c所示：a. 單四拍 b. 雙四拍 c八拍51 單片機驅(qū)動步進電機的方法。驅(qū)動電壓12v ，步進角為7.5 度 . 一圈360 度 , 需要48 個脈沖完成

3、! 該步進電機有6 根引線，排列次序如下：1:紅色、 2:紅色、 3:橙色、 4:棕色、 5:黃色、 6:黑色。采用 51 驅(qū)動 uln2003 的方法進行驅(qū)動。uln2003 的驅(qū)動直接用單片機系統(tǒng)的5v 電壓，可能力矩不是很大，大家可自行加大驅(qū)動電壓到12v。 1.步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、 位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。雖然

4、步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。目前 ,生產(chǎn)步進電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術人員，能夠自行開發(fā)， 研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況， 我們決定以廣泛的感應子式步進電機為例。敘述其基本工作原理。望能對廣大用戶在選型、使用、及整機改進時有所幫助。二、感應子式步進電機工作原理（一） 反應式步進電機原理

5、由于反應式步進電機工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應式步進電機原理。 1、結(jié)構(gòu)：電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。0、1/3 、 2/3 ,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以表示），即 a與齒 1 相對齊， b與齒 2 向右錯開1/3 ，c與齒 3 向右錯開2/3 ，a 與齒 5 相對齊，（a 就是 a，齒 5 就是齒 1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖： 2、旋轉(zhuǎn)：如 a相通電， b，c相不通電時，由于磁場作用，齒1 與 a對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。如 b相通電， a，c相不通電時，齒2 應與 b對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過 1/3 ，此時齒3

6、與 c偏移為 1/3 ，齒 4 與 a偏移（ -1/3） =2/3 。如 c相通電，a，b相不通電，齒3 應與 c對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3 ，此時齒4 與 a偏移為 1/3對齊。如 a相通電， b，c相不通電，齒4 與 a對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3 這樣經(jīng)過 a、b、c、a分別通電狀態(tài)，齒4（即齒 1 前一齒）移到a相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按a，b，c，a通電，電機就每步（每脈沖）1/3 , 向右旋轉(zhuǎn)。如按a，c，b，a通電，電機就反轉(zhuǎn)。由此可見：電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考

7、慮。往往采用a-ab-b-bcc-ca-a 這種導電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3 改變?yōu)?/6 。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3 變?yōu)?1/12 ， 1/24 ，這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m(m -1)/m,1 。并且導電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制這是步進電機旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。 3、力矩：電機一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量）當轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力f 與（ d/d ）成正比其磁通量

8、 =br*s br 為磁密， s為導磁面積 f 與 l*d*br 成正比 l 為鐵芯有效長度，d為轉(zhuǎn)子直徑br=ni/rni 為勵磁繞阻安匝數(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，電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。（二）感應子式步進電機 1、特點：感應子式步進電機與傳統(tǒng)的反應式步進電機相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作

9、用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。感應子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動），而反應式電機則不能如此。例如：四相，八相運行（a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a ）完全可以采用二相八拍運行方式. 不難發(fā)現(xiàn)其條件為c= ,d= . 一個二相電機的內(nèi)部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機， 為了方便使用， 靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。 2、分類感應子式步進電機以

10、相數(shù)可分為：二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。以機座號 （電機外徑） 可分為： 42byg(byg 為感應子式步進電機代號）、 57byg 、86byg 、110byg 、（國際標準），而像70byg 、 90byg 、 130byg等均為國內(nèi)標準。 3、步進電機的靜態(tài)指標術語相數(shù)：產(chǎn)生不同對極n、s磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n 表示， 或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即ab-bc-cd-da-ab ，四相八拍運行方式即 a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a. 步距角：對應一個脈沖信號，

11、電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用 表示。 =360 度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)j* 運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50 齒電機為例。四拍運行時步距角為=360 度/ （50*4 ）=1.8 度（俗稱整步），八拍運行時步距角為=360 度/ （50*8 ）=0.9 度（俗稱半步）。定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關， 但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不

12、可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。 4、步進電機動態(tài)指標及術語： 1、 步距角精度：步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差 / 步距角 *100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應在5% 之內(nèi)， 八拍運行時應在15%以內(nèi)。 2、失步：電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。 3、失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。 4、最大空載起動頻率：電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 5、最大空載的運行頻率：電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 6、運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性， 這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。如下