步進電機的工作原理及其原理圖

1、、前言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(fù)載變化的影響， 即給電機交流電機在常規(guī)下使 因此用好步進電機加一個脈沖信號，電機那么轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)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(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的 簡單。雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用， 用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、 卻非易事，它涉與到機械、電機、但步進電機并不能象普通的直流電機， 功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。 電子與計算機等許多專業(yè)知識。目前，生產(chǎn)步進電機的廠家確實不少，

2、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)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階 段。這就給用戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況，我們決定以廣泛的感應(yīng) 子式步進電機為例。 表達(dá)其根本工作原理。望能對廣闊用戶在選型、使用、與整機改進時有所幫助。二、感應(yīng)子式步進電機工作原理一反響式步進電機原理由于反響式步進電機工作原理比較簡單。下面先表達(dá)三相反響式步進電機原理。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相對齊，B

3、與齒2向右錯開1/3 T, C與齒3向右錯開2/3 T, 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(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過 1/3 T,此時齒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 齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3 T,此時齒4與A偏移為1/3 T對齊。女口 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 T這樣經(jīng)過A、B C、A分別通電狀態(tài)，齒4即

4、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 T,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(dǎo)電次數(shù)脈沖數(shù)和頻率成對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。不過，出于對力矩、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)，這樣將原來每步 1/3 T改變?yōu)?/6 T。甚至于通過二相電流不同的組合，使其 1/3疋變?yōu)?/12 T, 1/24疋，這就是電機細(xì)分驅(qū)動的根本理論依據(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 -

5、1)/m,1。并且導(dǎo)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，出于本錢等多方面考慮，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(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力F與d/d B成正比S其磁通量 =Br*S Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積，F(xiàn)與L*D*Br成正比L為鐵芯有效長度，D為 轉(zhuǎn)子直徑 Br=N - I/R N I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

6、大，反之亦然。二感應(yīng)子式步進電機 1、特點:感應(yīng)子式步進電機與傳統(tǒng)的反響式步進電機相比，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(yīng)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，而反響式電機那么不能如此。例如：四相，八 相運行A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A丨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

7、=.一個二相電機的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(yīng)子式步進電機以相數(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(yīng)子式步進電機代號、57BYG 86BYG 110BYG國際標(biāo)準(zhǔn)，而像70BYG 90BYG 130BYG等均為國標(biāo)準(zhǔn)。3、步進電機的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)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。n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角AB

8、-BC-CD-DA-AB四相八拍運行方拍數(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 所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即 式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用0表示。B =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 0 =360度 /50*4 =1.8度俗稱整步，八拍運行時步距角為 0 =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與機械誤 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

9、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(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動電壓與驅(qū)動電源等無關(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)，但過份采用減小氣隙， 增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱與機械噪音。4、步進電機動態(tài)指標(biāo)與術(shù)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(yīng)在5%之，八拍運行時應(yīng)在15%以。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(xì)分驅(qū)動是

10、不能解決的。4、最大空載起動頻率：電機在某種驅(qū)動形式、電壓與額定電流下，在不加負(fù)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，電壓與額定電流下，電機不帶負(fù)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(guān)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)。如以下圖所示：其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。電機一旦選定，電機的靜力矩確定， 而動態(tài)力矩卻不然， 電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時 的平均電流而非靜態(tài)電流，平均電流越大，電機輸出力矩越大， 即電機的頻率特性越硬。如以下圖所示:其中，曲線3電流

11、最大、或電壓最高；曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負(fù)載的交點為負(fù) 載的最大速度點。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機。7、電機的共振點：步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進電機的共振區(qū)一般在180-250pps之間步距角1.8度或在400pps左右步距角為0.9度，電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負(fù)載越輕，電機體積越小，那么共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步 和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。8、電機正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機繞組通電時序為 AB-BC-CD-DA或()時為正轉(zhuǎn)，通電時序為DA-CA-BC-AB或()時為反轉(zhuǎn)。

12、三、驅(qū)動控制系統(tǒng)組成使用、控制步進電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如下：1、脈沖信號的產(chǎn)生。脈沖信號一般由單片機或 CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為 左右，電機轉(zhuǎn)速越高， 占空比那么越大。2、信號分配我廠生產(chǎn)的感應(yīng)子式步進電機以二、四相電機為主，二相電機工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為，步距角為1.8度；二相八拍為，步距角為0.9度。四相電機工作方式也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB,步距角為1.8度；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角為 0.9 度。3、功率放大功率放大是驅(qū)動系統(tǒng)最為重要的局部。步進電機在一定

13、轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動態(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。平均電流越大電機力矩越大，要到達(dá)平均電流大這就需要驅(qū)動系統(tǒng)盡量克制電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅(qū)動方式， 到目前為止，驅(qū)動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、上下壓驅(qū)動、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。為盡量提高電機的動態(tài)性能，將信號分配、功率放大組成步進電機的驅(qū)動電源。我廠生產(chǎn)的SH系列二相恒流斬波驅(qū)動電源與單片機與電機接線圖如下：那沖信號單片機或CP+5V地CPA匚FTCSBFREEnipBU丄JAVCCGND11虹 -Z3O說明：CP接CPU脈沖信號負(fù)信號，低電平有效OPT0接 CPU+5VFREE脫機，與CPU地線

14、相接，驅(qū)動電源不工作DIR方向控制，與CPU地線相接，電機反轉(zhuǎn)VCC直流電源正端GND直流電源負(fù)端A接電機引出線紅線接電機引出線綠線B接電機引出線黃線接電機引出線藍(lán)線 步進電機一經(jīng)定型，其性能取決于電機的驅(qū)動電源。 步進電機轉(zhuǎn)速越高, 力距越大那么要求電機的電流越大，驅(qū)動電源的電壓越高。電壓對力矩影響如下：4、細(xì)分驅(qū)動器在步進電機步距角不能滿足使用的條件下，可采用細(xì)分驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機，細(xì)分驅(qū)動器的原理是通過改變相鄰 A, B電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進電機運轉(zhuǎn)的。四、步進電機的應(yīng)用一步進電機的選擇 步進電機有步距角涉與到相數(shù)、靜轉(zhuǎn)矩、與電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步

15、進電機的型號便確定下來了。1步距角的選擇電機的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率當(dāng)量換算到電機軸上，每個當(dāng)量電機應(yīng)走多少角度包括減速。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有 0.36度10.72度五相電機、0.9度/1.8度二、四相電機、1.5度/3 度三相電機等。2、靜力矩的選擇步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負(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。直接起動時一般由低速時二種負(fù)載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負(fù)載，恒速運行進只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下

16、，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍好，靜力矩一旦選定，電機的機座與長度便能確定下來幾何尺寸3、電流的選擇靜力矩一樣的電機， 由于電流參數(shù)不同， 其運行特性差異很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判 斷電機的電流參考驅(qū)動電源、與驅(qū)動電壓綜上所述選擇電機一般應(yīng)遵循以下步驟：4、力矩與功率換算步進電機一般在較大圍調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：P= M Q =2n n/60 P=2 n 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)簡稱 PPS二、應(yīng)用中的注意點1步進電機應(yīng)用于低速場合 -每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，0.9度時6666PPS),最好在 1000-3000PPS(0.9度間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。2、步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。3、 由于歷史原因，只有標(biāo)稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅(qū)動電壓 伏值，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流 50V,110BYG采用高于直流80V，當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電 源，不過要