步進(jìn)電動(dòng)機(jī)論文

1、哈爾濱理工大學(xué)文獻(xiàn)綜述題目：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的工作原理簡(jiǎn)介學(xué) 院：哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院專(zhuān) 業(yè)： 自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： 1030130221 姓 名： 時(shí)延利 指導(dǎo)教師： 侯甲童 完成日期： 2012年6月6日 一：概述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是用脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，將點(diǎn)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移和線位移的微電機(jī)，廣泛地應(yīng)用于打印機(jī)等辦公知道設(shè)備以及各種控制裝置。步進(jìn)電機(jī)和一般的電機(jī)不同，之接電源步進(jìn)電機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，而每加一個(gè)點(diǎn)脈沖僅轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，另外，改變脈沖的頻率時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的速率也跟著改變。步進(jìn)電機(jī)按電磁轉(zhuǎn)距產(chǎn)生機(jī)理的不同可以分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)，而按繞組的相數(shù)又可以分為單

2、相，兩相，三相。五相二：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)概念及其工作原理 1、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的概念步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移(或線位移)的電磁裝置，是一種特殊的電動(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)有脈沖輸進(jìn)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)的角位移量和輸進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，在時(shí)間上與輸進(jìn)脈沖同步，因此只要控制輸進(jìn)脈沖的數(shù)目、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)有脈沖輸進(jìn)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)。 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)

3、電動(dòng)機(jī)和功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)?？焖俨竭M(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)往驅(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N·m級(jí)的，可以直接往驅(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，各相均勻電流會(huì)高些，從而使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(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)。 由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著

4、輸進(jìn)脈沖頻率變化而變化，調(diào)速范圍很廣，靈敏度高，輸出轉(zhuǎn)角能夠控制，而且輸出精度較高，又能實(shí)現(xiàn)同步控制，所以廣泛地使用在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，也還可用在一般通用機(jī)床上，進(jìn)步進(jìn)給機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化水平。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的組成如下：2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 在電動(dòng)機(jī)定子上有A、B、C三對(duì)磁極，磁極上繞有線圈，分別稱(chēng)之為A相、B相和C相，而轉(zhuǎn)子則是一個(gè)帶齒的鐵心，這種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)稱(chēng)之為三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。假如在線圈中通以直流電，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)A、B、C三個(gè)磁極的線圈依次輪流通電，則A、B、C三對(duì)磁極就依次輪流產(chǎn)生磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。 首先有一相線圈(設(shè)為A相)通電，則轉(zhuǎn)子1、3兩齒被磁極A吸住，轉(zhuǎn)子就停留在圖55a的位置

5、上。然后，A相斷電，6相通電，則磁極A的磁場(chǎng)消失磁極B產(chǎn)生了磁場(chǎng)，磁極召的磁場(chǎng)把離它最近的2、4兩齒吸引過(guò)往，停止在圖b的位置上，這時(shí)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)了30°。再接下往B相斷電，C相通電。根據(jù)同樣道理，轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針轉(zhuǎn)了30°，停止在圖c的位置上。若再A相通電，C相斷開(kāi)，那么轉(zhuǎn)子再逆轉(zhuǎn)30°，使磁極A的磁場(chǎng)把2、4兩個(gè)齒吸住。定子各相輪流通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒。這樣按ABCABCA次序輪流通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就一步一步地按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。通電線圈每轉(zhuǎn)換一次，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)30°，我們把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每步轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱(chēng)之為步距角。假如把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電線圈轉(zhuǎn)換的次序倒過(guò)來(lái)?yè)Q

6、成ACBACB的順序，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，所以要改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可以在任何一相通電時(shí)進(jìn)行。三、驅(qū)動(dòng)器的作用驅(qū)動(dòng)器在整個(gè)控制環(huán)節(jié)中，正好處于主控制箱(MAIN CONTROLLER)->驅(qū)動(dòng)器(DRIVER)->馬達(dá)(MOTOR)的中間換節(jié)。他的主要功能是接收來(lái)自主控制箱(NC CARD)的信號(hào)，然后將信號(hào)進(jìn)行處理再轉(zhuǎn)移至馬達(dá)以及和馬達(dá)有關(guān)的感應(yīng)器(SENSOR),并且將馬達(dá)的工作情況反饋至主控制箱(MAIN CONTROLLER)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的一些特點(diǎn)：（1） 構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的專(zhuān)用集成電路：A 脈沖分配器集成電路：如三洋公司的PM

7、M8713（三/四相）、PMM8723（四相）、PMM8714（五相）等。B 包含脈沖分配器和電流斬波的控制器集成電路：如SGS公司的L297（四相）、L6506（四相）等。C 只含功率驅(qū)動(dòng)（或包含電流控制、保護(hù)電路）的驅(qū)動(dòng)器集成電路：如日本新電元工業(yè)公司的MTD1110（四相斬波驅(qū)動(dòng)）和MTD2001（兩相、H橋、斬波驅(qū)動(dòng)）。D 將脈沖分配器、功率驅(qū)動(dòng)、電流控制和保護(hù)電路都包括在內(nèi)的驅(qū)動(dòng)控制器集成電路，如MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。 （2）“細(xì)分驅(qū)動(dòng)”概述：概念：將“電機(jī)固有步距角”細(xì)分成若干小步的驅(qū)動(dòng)方法，稱(chēng)為細(xì)分驅(qū)動(dòng)，細(xì)分是

8、通過(guò)驅(qū)動(dòng)器精確控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相電流實(shí)現(xiàn)的，與電機(jī)本身無(wú)關(guān)。其原理是，讓定子通電相電流并不一次升到位，而斷電相電流并不一次降為0（繞組電流波形不再是近似方波，而是N級(jí)近似階梯波），則定子繞組電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)合力，會(huì)使轉(zhuǎn)子有N個(gè)新的平衡位置（形成N個(gè)步距角）。最新技術(shù)發(fā)展：國(guó)內(nèi)外對(duì)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究十分活躍，高性能的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路，可以細(xì)分到上千甚至任意細(xì)分。目前已經(jīng)能夠做到通過(guò)復(fù)雜的計(jì)算使細(xì)分后的步距角均勻一致，大大提高了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分辨率，減小或消除了震蕩、噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)更具有“類(lèi)伺服”特性。對(duì)實(shí)際步距角的作用：在沒(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶(hù)主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿(mǎn)足自己對(duì)

9、步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則用戶(hù)只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以大幅度改變實(shí)際步距角，步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)對(duì)改變實(shí)際步距角的作用幾乎可以忽略不計(jì)。 采用細(xì)分技術(shù)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)精度提高的關(guān)系：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)，其主要目的是減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)的一個(gè)附帶功能。細(xì)分后電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)每一個(gè)脈沖的分辨率提高了，但運(yùn)轉(zhuǎn)精度能否達(dá)到或接近脈沖分辨率還取決于細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器精度可能差別很大；細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制。真正的細(xì)分對(duì)驅(qū)動(dòng)器要有相當(dāng)高的技術(shù)要求和工藝要求，成本亦會(huì)較高。國(guó)內(nèi)有一些驅(qū)動(dòng)器采用對(duì)電

10、機(jī)相電流進(jìn)行“平滑”處理來(lái)取代細(xì)分，屬于“假細(xì)分”，“平滑”并不產(chǎn)生微步，會(huì)引起電機(jī)力矩的下降。真正的細(xì)分控制不但不會(huì)引起電機(jī)力矩的下降，相反，力矩會(huì)有所增加。四、步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi)1、按結(jié)構(gòu)分類(lèi)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也叫脈沖電機(jī)，包括反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（HB）等。 （1）反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：也叫感應(yīng)式、磁滯式或磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其定子和轉(zhuǎn)子均由軟磁材料制成，定子上均勻分布的大磁極上裝有多相勵(lì)磁繞組，定、轉(zhuǎn)子周邊均勻分布小齒和槽，通電后利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。一般為三、四、五、六相；可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出（消耗功率較大，電流最高可達(dá)20A，驅(qū)動(dòng)電壓較高）；步距角?。ㄗ?/p>

11、小可做到10）；斷電時(shí)無(wú)定位轉(zhuǎn)矩；電機(jī)內(nèi)阻尼較小，單步運(yùn)行（指脈沖頻率很低時(shí)）震蕩時(shí)間較長(zhǎng)；啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高。（2）永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：通常電機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，軟磁材料制成的定子上有多相勵(lì)磁繞組，定、轉(zhuǎn)子周邊沒(méi)有小齒和槽，通電后利用永磁體與定子電流磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。一般為兩相或四相；輸出轉(zhuǎn)矩小（消耗功率較小，電流一般小于2A，驅(qū)動(dòng)電壓12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；斷電時(shí)具有一定的保持轉(zhuǎn)矩；啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較低。（3）混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：也叫永磁反應(yīng)式、永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。其定子和四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒(méi)有區(qū)別（但同一相的兩個(gè)磁極相對(duì)，

12、且兩個(gè)磁極上繞組產(chǎn)生的N、S極性必須相同），轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜（轉(zhuǎn)子內(nèi)部為圓柱形永磁鐵，兩端外套軟磁材料，周邊有小齒和槽）。一般為兩相或四相；須供給正負(fù)脈沖信號(hào)；輸出轉(zhuǎn)矩較永磁式大（消耗功率相對(duì)較?。徊骄嘟禽^永磁式?。ㄒ话銥?.8度）；斷電時(shí)無(wú)定位轉(zhuǎn)矩；啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高；是目前發(fā)展較快的一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按工作方式分類(lèi)可分為功率式和伺服式兩種。（1）功率式：輸出轉(zhuǎn)矩較大，能直接帶動(dòng)較大負(fù)載（一般使用反應(yīng)式、混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）。（2）伺服式：輸出轉(zhuǎn)矩較小，只能帶動(dòng)較小負(fù)載（一般使用永磁式、混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）五、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)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

13、制系統(tǒng)，其方框圖如下： 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，一般脈沖信號(hào)的占空比為左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。 2、信號(hào)分配 我廠生產(chǎn)的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以二、四相電機(jī)為主，二相電機(jī)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(jī)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(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)

14、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。 為盡量提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，將信號(hào)分配、功率放大組成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。生產(chǎn)的SH系列二相恒流斬波驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)及電機(jī)接線圖如下：說(shuō)明：CP 接CPU脈沖信號(hào)（負(fù)信號(hào)，低電平有效）OPTO 接CPU+5VFREE 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A 接電機(jī)引出線紅線 接電機(jī)引出線綠線B 接電機(jī)引出線黃

15、線 接電機(jī)引出線藍(lán)線 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：4、細(xì)分驅(qū)動(dòng)器在步進(jìn)電機(jī)步距角不能滿(mǎn)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。 六、驅(qū)動(dòng)器原理步進(jìn)電機(jī)必須有驅(qū)動(dòng)器和控制器才能正常工作。驅(qū)動(dòng)器的作用是對(duì)控制脈沖進(jìn) 行環(huán)形分配、功率放大，使步進(jìn)電機(jī)繞組按一定順序通電，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖 1.3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)以?xún)上嗖竭M(jìn)電機(jī)為例，當(dāng)給驅(qū)動(dòng)器一個(gè)脈沖信號(hào)和一個(gè)正方向信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過(guò)環(huán)形分配器和功

16、率放大后，給電機(jī)繞組通電的順序?yàn)椋渌膫€(gè)狀態(tài)周而復(fù) 始進(jìn)行變化，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；若方向信號(hào)變?yōu)樨?fù)時(shí)，通電時(shí)序就變?yōu)?電機(jī)就 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。圖 1.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖分析步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖 1.4，當(dāng) T 導(dǎo)通時(shí)有：R 為電路中存在的等效電阻。 如果，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E0，則：隨著電子技術(shù)的發(fā)展，功率放大電路由單電壓電路、高低壓電路發(fā)展到現(xiàn)在的斬波電路。其基本原理是：在電機(jī)繞組回路中，串聯(lián)一個(gè)電流檢測(cè)回路，當(dāng)繞 組電流降低到某一下限值時(shí)，電流檢測(cè)回路發(fā)出信號(hào)，控制高壓開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，讓 高壓再次作用在繞組上，使繞組電流重新上升；當(dāng)電流回升到上限值時(shí)，高壓電 源又自動(dòng)斷開(kāi)。重復(fù)上述過(guò)程，使繞組電流的平均值增加，電流波形的波頂維持 在預(yù)定數(shù)值上，解決了高低壓電路在低頻段工作時(shí)電流下凹的問(wèn)題，使電機(jī)