步進(jìn)電機(jī)原理及其使用說明

1、步進(jìn)電機(jī)原理及其使用說明一、前言步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。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、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(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計算機(jī)等許多專業(yè)知識。目前 , 生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的

2、廠家的確不少，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，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設(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(jìn)電機(jī)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(jī)改進(jìn)時有所幫助。二、感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)工作原理（一）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡單。 下面先敘述三相反應(yīng)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）

3、，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(yīng)與 B 對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過 1/3 ，此時齒 3 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(yīng)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

4、 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(jī)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(jī)就每步（每脈沖） 1/3 , 向右旋轉(zhuǎn)。如按 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)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步 1/3 改變?yōu)?1/6。甚至于通過二相電流不同的組合，使其 1/3 變?yōu)?1/

5、12 ，1/24，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。不難推出：電機(jī)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(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(jìn)電機(jī)，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(jī)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 ）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 為鐵芯有效長度； D為轉(zhuǎn)子直徑； Br=N·

6、I/RN ·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(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：感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)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，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(jī)效率高， 電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在， 該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢， 其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)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(jìn)電機(jī)某種程度上可以

7、看作是低速同步電機(jī)。 一個四相電機(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），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。例如：四相，八相運(yùn)行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）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= 。一個二相電機(jī)的內(nèi)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，而功率大一點的電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)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(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（電機(jī)外徑）可分為：42

8、BYG(BYG為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號） 、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標(biāo)準(zhǔn)） ，而像 70BYG、90BYG、130BYG等均為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。3、步進(jìn)電機(jī)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m表示。n 表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(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：對應(yīng)一個脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。 =360 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)

9、為例。四拍運(yùn)行時步距角為 =360 度/ （50*4）=1.8 度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時步距角為 =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 （由磁場齒形的諧波以及機(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)動時， 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)動電壓及驅(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(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。4、步進(jìn)電機(jī)動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語1、步距角精度： 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過

10、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(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時應(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時應(yīng)在 15%以內(nèi)。2、失步： 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時運(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)動是不能解決的。4、最大空載起動頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，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(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動形式， 電壓及額定電流下，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)在某種測試條件下測得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的

11、曲線稱為運(yùn)行矩頻特性， 這是電機(jī)諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。如下圖所示：其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性。電機(jī)一旦選定， 電機(jī)的靜力矩確定， 而動態(tài)力矩卻不然， 電機(jī)的動態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時的平均電流 （而非靜態(tài)電流） ，平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。如下圖所示：其中，曲線 3 電流最大、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(jī)。7、電機(jī)的共振點：步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在180-250pps 之間（步距

12、角 1.8 度）或在400pps 左右（步距角為 0.9 度），電機(jī)驅(qū)動電壓越高， 電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)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(jī)正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機(jī)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)。三、驅(qū)動控制系統(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(jī)或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大.2、信號分配我廠生產(chǎn)的感應(yīng)

13、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)動系統(tǒng)盡量克服電機(jī)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

14、有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。 為盡量提高電機(jī)的動態(tài)性能，將信號分配、功率放大組成步進(jìn)電機(jī)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(jī)及電機(jī)接線圖如下：說明：CP 接 CPU脈沖信號（負(fù)信號，低電平有效）OPTO接 CPU+5VFREE 脫機(jī)，與 CPU地線相接，驅(qū)動電源不工作 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)動電源的電壓越高。

15、電壓對力矩影響如下：4、細(xì)分驅(qū)動器在步進(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)動器來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，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(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的。四、步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用（一）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)的型號便確定下來了。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

16、度（二、四相電機(jī)）、 1.5度/3 度 （三相電機(jī)）等。2、靜力矩的選擇步進(jìn)電機(jī)的動態(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(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(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)動電源、及驅(qū)動電壓）綜上所述

17、選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循以下步驟：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， 一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：P= · M =2· n/60 P=2 nM/60其 P 為功率單位為瓦，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=2fM/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(jìn)電機(jī)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(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)時振動大。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)動電壓伏值，