步進(jìn)電機(jī)的工作原理

1、1.步進(jìn)電機(jī)的工作原理該步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按適宜的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1是該四相反響式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。圖1四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖開始時(shí)，開關(guān)SB接通電源，SA、SC SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和D A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB SA SD斷開時(shí)，由于C相繞組的磁力線和1、4號(hào)齒之間磁力線 的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，1、4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和A、B 相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次

2、類推，A、B、 C、D四相繞組輪流供電，那么轉(zhuǎn)子會(huì)沿著 A、B C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。四相步進(jìn)所示jmnnnjrLnrumLriruww1 1廠1-11_Ij1I_1nr|b、c電機(jī)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(dòng)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(dòng)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(shí)序與波形分別如圖2.a豚捋i mjUTiLnjirLTLfinrLjyirLrLnrLrLruirLrirL陽(yáng) n n nPlJ-LJ-1_j聊i_LL_rn_郎

3、 n n na.訓(xùn) i n. n. nb.雙四c八拍51單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的方法。驅(qū)動(dòng)電壓12V，步進(jìn)角為7.5度.一圈360度，需要48個(gè)脈沖完成!該步進(jìn)電機(jī)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(dòng)ULN2003的方法進(jìn)展驅(qū)動(dòng)。IOK系統(tǒng)電源；5VFC1 ATCTC5139 j pi arraoi PJ.4/INT Pl 57INT3 pj.afiNT P1.7/1NT5PSENX2 ALE CAB)PZ.D (A9)P2 1 CA10JP22 (A1I)E2 3 認(rèn)P24 (A33JP2.5 3 14)P2& (AiSmPiirncD

4、fiPi.KTC P3.3JlTFrr pa./ro n.smP3 CWRP3 7WI2M珂麗n302Cj27?2B4ID5H疔25R15IC2ifeEBsc2B2C3B3C4B*5BSC弗此7B7COHOvccULK20a3步進(jìn)電機(jī)15JS包13出色HW16OVCCULN2003的驅(qū)動(dòng)直接用單片機(jī)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(dòng)電壓到12V。1. 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)那么轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在， 加上步

5、進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。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，它涉與到機(jī)械、電機(jī)、電子與計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。目前,生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家確實(shí)不少， 但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少， 大局部的廠家只一、 二十人，連最根本的設(shè)備都沒(méi)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(yīng)子式步進(jìn)電 機(jī)為例。表達(dá)其根本工作原理

6、。望能對(duì)廣闊用戶在選型、使用、與整機(jī)改進(jìn)時(shí)有所幫助。二、感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)工作原理F面先表達(dá)三一反響式步進(jìn)電機(jī)原理由于反響式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡(jiǎn)單。相反響式步進(jìn)電機(jī)原理。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。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1/3 T, C與齒3向右錯(cuò)開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)子的展開圖：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)

7、，齒2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。女口 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)。女口按A, C, B, A通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)脈沖數(shù)和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序

8、決定。不過(guò)，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音與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 為1/6 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)的根本理論依據(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)，出于本錢等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。3、 力矩：電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)磁通量 當(dāng)

9、轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò) 開一定角度產(chǎn)生力 F與d/d B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 - I/RN 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。二感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)1、特點(diǎn)：感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反響式步進(jìn)電機(jī)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(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具

10、有較強(qiáng)的反電勢(shì)， 其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行。必須采用雙極電壓驅(qū)動(dòng)，而反響式電機(jī)那么不能如此。例如：四相，八相運(yùn)行A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A丨完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式不難發(fā)現(xiàn)其條件為 C= ,D=.一個(gè)二相電機(jī)的部繞組與四相電機(jī)完全一致，小功率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一點(diǎn)的電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線為八根引線四相，這樣使用時(shí)，既可以作四相電機(jī)使用，可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。2、 分類感應(yīng)子式步

11、進(jìn)電機(jī)以相數(shù)可分為：二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)等。以機(jī)座號(hào)電機(jī)外徑可分為：42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號(hào)、57BYG86BYG 110BYG 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，而像 70BYG 90BYG 130BYG等均為國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。3、 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ)相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極N S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)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(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位 移用0表示。B =3

12、60度轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運(yùn)行拍數(shù)，以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為0 =360度/50*4=1.8度俗稱整步，八拍運(yùn)行時(shí)步距角為0 =360度/ 50*8=0.9度俗稱半步。定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子 自身的鎖定力矩由磁場(chǎng)齒形的諧波以與機(jī)械誤差造成的靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積幾何尺寸的標(biāo) 準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓與驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。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(guān)，但過(guò)份采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱與機(jī)械噪音。4、步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)與術(shù)語(yǔ)：1、步

13、距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 15%X2、失步： 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào) 角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。4、 最大空載起動(dòng)頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓與額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。5、 最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式， 電壓與額定電流下，電機(jī)不帶負(fù) 載的最高轉(zhuǎn)速頻率。6、運(yùn)行矩頻特性：電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性， 這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要