步進(jìn)電機(jī)工作原理及實現(xiàn)

1、微機(jī)控制技術(shù)微機(jī)控制技術(shù)內(nèi)內(nèi) 容容 提提 要要一一 步進(jìn)電機(jī)簡介步進(jìn)電機(jī)簡介二二 步進(jìn)電機(jī)原理介紹步進(jìn)電機(jī)原理介紹三三 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動原理步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動原理四四 國內(nèi)外發(fā)展概況與趨勢國內(nèi)外發(fā)展概況與趨勢 步進(jìn)電動機(jī)的定義：是一種專門用于速度和位置精確控制的特種電機(jī)，它旋轉(zhuǎn)是以固定的角度（稱為步距角）一步一步運(yùn)行的，故稱步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電動機(jī)構(gòu)造：由轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體、轉(zhuǎn)軸、滾珠軸承），定子（繞組、定子鐵芯），前后端蓋等組成。最典型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的定子有8個大齒，40個小齒，轉(zhuǎn)子有50個小齒；三相電機(jī)的定子有9個大齒，45個小齒，轉(zhuǎn)子有50個小齒。微機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)的特點步進(jìn)電機(jī)的特點

2、1.1.一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步距角的一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步距角的3-5%3-5%，且不累積；，且不累積；2.2.步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點；步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點；3.3.步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。4.4.空載啟動頻率：即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，空載啟動頻率：即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。 5.5.低頻振動特性：步進(jìn)電動機(jī)以連續(xù)的步

3、距狀態(tài)邊移動邊重復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。其低頻振動特性：步進(jìn)電動機(jī)以連續(xù)的步距狀態(tài)邊移動邊重復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。其步距狀態(tài)的移動會產(chǎn)生步距狀態(tài)的移動會產(chǎn)生1 1步距響應(yīng)。步距響應(yīng)。 微機(jī)控制技術(shù) 步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(1)(1)與負(fù)載無關(guān)與負(fù)載無關(guān): :不超載時步進(jìn)電機(jī)能夠按照設(shè)定的速度運(yùn)行不超載時步進(jìn)電機(jī)能夠按照設(shè)定的速度運(yùn)行; ;(2)(2)動態(tài)響應(yīng)快動態(tài)響應(yīng)快: :易于啟動、停止和反轉(zhuǎn)易于啟動、停止和反轉(zhuǎn); ;(3)(3)保持轉(zhuǎn)矩保持轉(zhuǎn)矩: :停止時能夠自鎖停止時能夠自鎖; ;(4)(4)無累積誤差無累積誤差: :雖然步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動一步的角位移與標(biāo)稱的步距角具有一定雖然步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動一步的角位移與標(biāo)稱的步距

4、角具有一定的誤差的誤差(3(3一一5%),5%),但是轉(zhuǎn)動一周后累積的誤差和為零。但是轉(zhuǎn)動一周后累積的誤差和為零。(5)(5)步距角與環(huán)境無關(guān)步距角與環(huán)境無關(guān): :步進(jìn)電機(jī)的固有步距角是由本身構(gòu)造決定的步進(jìn)電機(jī)的固有步距角是由本身構(gòu)造決定的, ,與溫度、與溫度、電壓、電流等使用環(huán)境無關(guān)。電壓、電流等使用環(huán)境無關(guān)。(6)(6)易于控制易于控制: :只需控制脈沖的頻率和個數(shù)只需控制脈沖的頻率和個數(shù), ,即可達(dá)到定位、調(diào)速目的。即可達(dá)到定位、調(diào)速目的。(7)(7)價格低廉。價格低廉。步進(jìn)電機(jī)的缺點：步進(jìn)電機(jī)的缺點：(l)(l)低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲都比較大低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲都比較大; ;(2)(2)

5、輸出力矩隨著轉(zhuǎn)動速度的升高而降低輸出力矩隨著轉(zhuǎn)動速度的升高而降低; ;(3)(3)啟動頻率不能太高啟動頻率不能太高, ,否則會堵轉(zhuǎn)并伴隨有呼嘯聲否則會堵轉(zhuǎn)并伴隨有呼嘯聲; ;(4(4) )速度突變較大時存在丟步和過沖現(xiàn)象速度突變較大時存在丟步和過沖現(xiàn)象; ;(5)(5)最高運(yùn)動速度較低最高運(yùn)動速度較低, ,且高速運(yùn)轉(zhuǎn)時輸出力矩小；且高速運(yùn)轉(zhuǎn)時輸出力矩小；(6)(6)開環(huán)控制開環(huán)控制, ,不能保證實際轉(zhuǎn)動的角度與設(shè)想的完全一致。不能保證實際轉(zhuǎn)動的角度與設(shè)想的完全一致。一 步進(jìn)電進(jìn)電機(jī)工作原理 步進(jìn)電機(jī)原理圖步進(jìn)電機(jī)原理圖 微機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，以步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，以兩相步進(jìn)電

6、機(jī)為例，它有兩個兩相步進(jìn)電機(jī)為例，它有兩個繞組，當(dāng)一個繞組通電后，其繞組，當(dāng)一個繞組通電后，其定子磁極產(chǎn)生磁場，將轉(zhuǎn)子吸定子磁極產(chǎn)生磁場，將轉(zhuǎn)子吸合到此磁極處。若繞組在控制合到此磁極處。若繞組在控制脈沖的作用下，通電方向為脈沖的作用下，通電方向為AAAA -BB-AA-BB-BB-AA-BB四個狀態(tài)周而復(fù)始四個狀態(tài)周而復(fù)始的變化時，電機(jī)就逆時針轉(zhuǎn)動。的變化時，電機(jī)就逆時針轉(zhuǎn)動?？刂谱饔妹}沖每作用一次，通控制作用脈沖每作用一次，通電方向就變化一次，使電機(jī)轉(zhuǎn)電方向就變化一次，使電機(jī)轉(zhuǎn)動一步，動一步，4 4個脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動個脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈。脈沖頻率越高，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈。脈沖頻率越高，電機(jī)轉(zhuǎn)動越快。動

7、越快。二 步進(jìn)電進(jìn)電機(jī)驅(qū)動驅(qū)動原理微機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成步進(jìn)電機(jī)必須有驅(qū)動器和控制器才能正常工作。驅(qū)動器的作用步進(jìn)電機(jī)必須有驅(qū)動器和控制器才能正常工作。驅(qū)動器的作用是對控制脈沖進(jìn)行環(huán)形分配、功率放大，使步進(jìn)電機(jī)繞組按一是對控制脈沖進(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。定順序通電，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。（1 1）步進(jìn)控制器步進(jìn)控制器 包括：緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及包括：緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及 正、反轉(zhuǎn)向控制門等。正、反轉(zhuǎn)向控制門等。 作用作用: : 把輸入脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)型脈沖，以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。把輸入脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)型脈

8、沖，以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 采用計算機(jī)控制系統(tǒng)，由軟件代替步進(jìn)控制器。采用計算機(jī)控制系統(tǒng)，由軟件代替步進(jìn)控制器。 優(yōu)點：線路簡化，降低成本降低，可靠性提高。優(yōu)點：線路簡化，降低成本降低，可靠性提高。 靈活改變步進(jìn)電機(jī)的控制方案，使用起來很方便。靈活改變步進(jìn)電機(jī)的控制方案，使用起來很方便。（2 2）功率放大器）功率放大器 把環(huán)型脈沖放大，以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。把環(huán)型脈沖放大，以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。微機(jī)控制技術(shù)二 步進(jìn)電進(jìn)電機(jī)驅(qū)動驅(qū)動原理微機(jī)控制技術(shù)可以克服步進(jìn)電機(jī)高速起停時存在的堵轉(zhuǎn)、丟步或者過沖等問題可以克服步進(jìn)電機(jī)高速起停時存在的堵轉(zhuǎn)、丟步或者過沖等問題, ,使步使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動得更加平穩(wěn)、定位更

9、加精確。進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動得更加平穩(wěn)、定位更加精確。改 進(jìn)進(jìn) 方 法可以大大減少低速轉(zhuǎn)動時的振動和噪音可以大大減少低速轉(zhuǎn)動時的振動和噪音, ,還可以起到減小步距角、提還可以起到減小步距角、提高分辨率、增大輸出力矩的效果高分辨率、增大輸出力矩的效果; ;微機(jī)控制技術(shù)正弦細(xì)細(xì)分驅(qū)動驅(qū)動技術(shù)術(shù) 步進(jìn)電機(jī)的工作原理本質(zhì)上靠勵磁繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)的合磁場帶動轉(zhuǎn)子做同步運(yùn)動，步進(jìn)電機(jī)的工作原理本質(zhì)上靠勵磁繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)的合磁場帶動轉(zhuǎn)子做同步運(yùn)動，由于勵磁繞組通電之后產(chǎn)生磁通量正比于電流的大小由于勵磁繞組通電之后產(chǎn)生磁通量正比于電流的大小, ,因而只要控制流過各個繞組因而只要控制流過各個繞組的電流的大小和方向就可以控制

10、步進(jìn)電機(jī)各個繞組產(chǎn)生的合磁場的大小和方向的電流的大小和方向就可以控制步進(jìn)電機(jī)各個繞組產(chǎn)生的合磁場的大小和方向 。工作在細(xì)分狀態(tài)下就需要精確控制流過繞組電流的大小工作在細(xì)分狀態(tài)下就需要精確控制流過繞組電流的大小 。仍以二相步進(jìn)電機(jī)為例，當(dāng)仍以二相步進(jìn)電機(jī)為例，當(dāng)A A、B B相繞組同時通電時，轉(zhuǎn)子將停在相繞組同時通電時，轉(zhuǎn)子將停在A A、B B相磁板中相磁板中間，如圖。若通電方向順序按照間，如圖。若通電方向順序按照AA AA+BB BB BB+AA AA AA+ BAA AA+BB BB BB+AA AA AA+ BB BB BB+AA 8B BB BB+AA 8個狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，電機(jī)順時

11、針轉(zhuǎn)動；電機(jī)每轉(zhuǎn)動個狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動；電機(jī)每轉(zhuǎn)動一步，為一步，為4545度，度，8 8個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一周。為了保證電機(jī)輸出的力矩均勻，個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一周。為了保證電機(jī)輸出的力矩均勻，A A、B B相線相線圈電流的大小也要調(diào)整，使圈電流的大小也要調(diào)整，使A A、B B相產(chǎn)生的合力在每個位置相同，如圖相產(chǎn)生的合力在每個位置相同，如圖1 1所示為所示為4 4細(xì)分時細(xì)分時A A、B B相線圈電流的關(guān)系。相線圈電流的關(guān)系。A A、B B相線圈電流大小與轉(zhuǎn)角關(guān)系如圖相線圈電流大小與轉(zhuǎn)角關(guān)系如圖2 2所示。所示。微機(jī)控制技術(shù)微機(jī)控制技術(shù)脈沖寬寬度調(diào)調(diào)制技術(shù)術(shù) 脈沖寬度調(diào)制簡稱脈沖寬度調(diào)制簡稱

12、pwmpwm , ,原理為通過一系原理為通過一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來獲得所需要的列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來獲得所需要的波形波形步進(jìn)電機(jī)的繞組由于電流不會突變步進(jìn)電機(jī)的繞組由于電流不會突變, ,具有具有明顯的慣性環(huán)節(jié)明顯的慣性環(huán)節(jié), ,因此可以用因此可以用PWMPWM技術(shù)來控技術(shù)來控制電機(jī)繞組的電流大小。周期脈沖信號的制電機(jī)繞組的電流大小。周期脈沖信號的導(dǎo)通階段對繞組進(jìn)行充電導(dǎo)通階段對繞組進(jìn)行充電, ,截止階段繞組截止階段繞組通過續(xù)流回路進(jìn)行放電，當(dāng)脈沖的頻率和通過續(xù)流回路進(jìn)行放電，當(dāng)脈沖的頻率和寬度達(dá)到一定值時寬度達(dá)到一定值時, ,繞組的電流將基本是繞組的電流將基本是一個恒定值一個恒定值,

13、,并帶有微小的紋波信號，當(dāng)并帶有微小的紋波信號，當(dāng)脈沖寬度改變時脈沖寬度改變時, ,繞組的電流也將發(fā)生變繞組的電流也將發(fā)生變化，所以化，所以PWMPWM可用來精確控制繞組電流的可用來精確控制繞組電流的大小。大小。微機(jī)控制技術(shù)升降頻頻控制技術(shù)術(shù) 步進(jìn)電機(jī)從靜止啟動時步進(jìn)電機(jī)從靜止啟動時, ,由于慣性和摩擦力矩的作用由于慣性和摩擦力矩的作用, ,如果轉(zhuǎn)動頻率突變?nèi)绻D(zhuǎn)動頻率突變太大可能會丟步甚至堵轉(zhuǎn)太大可能會丟步甚至堵轉(zhuǎn); ;當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時如果突然停下來當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時如果突然停下來, ,則則可能會過沖可能會過沖, ,這些情況都會導(dǎo)致運(yùn)動不平穩(wěn)以及定位精度不高。這在實這些情況都會導(dǎo)致

14、運(yùn)動不平穩(wěn)以及定位精度不高。這在實際運(yùn)用當(dāng)中是非常有害的，由于步進(jìn)電機(jī)升速過程當(dāng)中輸出力矩明顯減際運(yùn)用當(dāng)中是非常有害的，由于步進(jìn)電機(jī)升速過程當(dāng)中輸出力矩明顯減少少, ,因而步進(jìn)電機(jī)的升速曲線的設(shè)計尤為重要，步進(jìn)電機(jī)的升速過程一因而步進(jìn)電機(jī)的升速曲線的設(shè)計尤為重要，步進(jìn)電機(jī)的升速過程一般由突變頻率和加速曲線過程。突變頻率不可太高否則會丟步甚至堵轉(zhuǎn)。般由突變頻率和加速曲線過程。突變頻率不可太高否則會丟步甚至堵轉(zhuǎn)。由步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動方程可得出理想的加速曲線為由步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動方程可得出理想的加速曲線為實際上步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動頻率不是連續(xù)變化的而是離散的實際上步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動頻率不是連續(xù)變化的而是離散的, ,因而升

15、因而升速曲線一般是指運(yùn)行頻率與脈沖數(shù)的關(guān)系曲線速曲線一般是指運(yùn)行頻率與脈沖數(shù)的關(guān)系曲線( (如圖所示如圖所示),),一一般采用各種方法來擬合升速曲線般采用各種方法來擬合升速曲線, ,常見的方法有臺階擬合法、常見的方法有臺階擬合法、直線擬合法以及查表法。出于擬合精度和實現(xiàn)難度的折中考慮直線擬合法以及查表法。出于擬合精度和實現(xiàn)難度的折中考慮, ,實際使用中往往采取直線擬合法實際使用中往往采取直線擬合法 微機(jī)控制技術(shù)四 國內(nèi)國內(nèi)外發(fā)發(fā)展概況與趨勢概況與趨勢現(xiàn)在，步進(jìn)電動機(jī)的發(fā)展（結(jié)構(gòu)的發(fā)展）已歸結(jié)為單段式結(jié)構(gòu)的磁阻式現(xiàn)在，步進(jìn)電動機(jī)的發(fā)展（結(jié)構(gòu)的發(fā)展）已歸結(jié)為單段式結(jié)構(gòu)的磁阻式(VR)(VR)、混合

16、式、混合式(HB)(HB)和爪極結(jié)構(gòu)和爪極結(jié)構(gòu)(PM)(PM)的永磁式三類。爪極電機(jī)價格便宜，的永磁式三類。爪極電機(jī)價格便宜，性能指標(biāo)不高，混合式和磁阻式主要作為高分辨率電動機(jī)，由于混合式性能指標(biāo)不高，混合式和磁阻式主要作為高分辨率電動機(jī)，由于混合式步進(jìn)電動機(jī)具有控制功率小，運(yùn)行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導(dǎo)地位。最步進(jìn)電動機(jī)具有控制功率小，運(yùn)行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導(dǎo)地位。最典型的產(chǎn)品是二相典型的產(chǎn)品是二相8 8極極5050齒的電動機(jī)，還有五相齒的電動機(jī)，還有五相1010極極5050齒和一些轉(zhuǎn)子齒和一些轉(zhuǎn)子100100齒的二相和五相步進(jìn)電動機(jī)，五相電動機(jī)主要用于運(yùn)行性能較高的場合。齒的二相和五相步

17、進(jìn)電動機(jī)，五相電動機(jī)主要用于運(yùn)行性能較高的場合。到目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的磁阻式步進(jìn)電動機(jī)已極少見。到目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的磁阻式步進(jìn)電動機(jī)已極少見。微機(jī)控制技術(shù)當(dāng)前最有發(fā)展前景的當(dāng)屬混合式步進(jìn)電動機(jī)，而混合式電動機(jī)又向當(dāng)前最有發(fā)展前景的當(dāng)屬混合式步進(jìn)電動機(jī)，而混合式電動機(jī)又向以下四個方向發(fā)展：以下四個方向發(fā)展：（1 1）繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。）繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。（2 2）改圓形電動機(jī)為方形電動機(jī)。由于電動機(jī)采用方型結(jié)構(gòu)，使得）改圓形電動機(jī)為方形電動機(jī)。由于電動機(jī)采用方型結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)子有可能設(shè)計得比圓形大，因而其力矩體積比轉(zhuǎn)子有可能設(shè)計得比圓形大，因而其力矩體積比( (性價比性價比) )

18、將大為提將大為提高。同樣機(jī)座號的電動機(jī)，方形的力矩比圓形的將提高高。同樣機(jī)座號的電動機(jī)，方形的力矩比圓形的將提高30304040。（3 3）對電動機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器（相對編碼器），）對電動機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器（相對編碼器），減速齒輪（減速機(jī)）等和電動機(jī)本體綜合設(shè)計在一起，這樣使其能減速齒輪（減速機(jī)）等和電動機(jī)本體綜合設(shè)計在一起，這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。方便地組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。（4 4）向五相和三相電動機(jī)方向發(fā)展。目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電）向五相和三相電動機(jī)方向發(fā)展。目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動機(jī)，

19、其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機(jī)具有優(yōu)勢性。而就動機(jī)，其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機(jī)具有優(yōu)勢性。而就這兩種電動機(jī)而言，五相電動機(jī)的驅(qū)動電路比三相電動機(jī)精密且復(fù)這兩種電動機(jī)而言，五相電動機(jī)的驅(qū)動電路比三相電動機(jī)精密且復(fù)雜，因此三相電動機(jī)系統(tǒng)的價格比要比五相電動機(jī)更低一些。雜，因此三相電動機(jī)系統(tǒng)的價格比要比五相電動機(jī)更低一些。微機(jī)控制技術(shù) 國外對步進(jìn)電機(jī)的研究一直很活躍。目前，國外對步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動國外對步進(jìn)電機(jī)的研究一直很活躍。目前，國外對步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動的一個重要發(fā)展方向是大量采用專用芯片，結(jié)果是大大縮小驅(qū)動器的體積，的一個重要發(fā)展方向是大量采用專用芯片，結(jié)果是大大縮小驅(qū)動器的體積，明顯提高了整機(jī)的性能。比較典型的芯片有兩類明顯提高了整