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)的各相繞組按合適的時(shí)序通電， 就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 1 是該四相反應(yīng)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

2、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。依次類推， a、b、c、d四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著a、b、c、d方向轉(zhuǎn)動(dòng)。四相步進(jìn)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 、b、c所示：a. 單四拍 b. 雙四拍 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

3、! 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)行驅(qū)動(dòng)。uln2003 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)則轉(zhuǎn)過一個(gè)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(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

4、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，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(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(duì)廣大用戶在選型、使用、及整機(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（一） 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理

5、由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡(jiǎn)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(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 、 2/3 ,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以表示），即 a與齒 1 相對(duì)齊， b與齒 2 向右錯(cuò)開1/3 ，c與齒 3 向右錯(cuò)開2/3 ，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)，齒2 應(yīng)與 b對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過 1/3 ，此時(shí)齒3

6、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(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過1/3 ，此時(shí)齒4 與 a偏移為 1/3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(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 , 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(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。不過，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考

7、慮。往往采用a-ab-b-bcc-ca-a 這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步1/3 改變?yōu)?/6 。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3 變?yōu)?1/12 ， 1/24 ，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(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)，出于成本等多方面考慮，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)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開一定角度產(chǎn)生力f 與（ d/d ）成正比其磁通量

8、 =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=ni/rni 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(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)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作

9、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(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(gè)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(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)子式步進(jìn)電機(jī)以

10、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)）、 57byg 、86byg 、110byg 、（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)），而像70byg 、 90byg 、 130byg等均為國(guó)內(nèi)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)，

11、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)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360 度/ （50*4 ）=1.8 度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)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(chǎng)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(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)電壓及驅(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)， 但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不

12、可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。 4、步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)： 1、 步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(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% 之內(nèi)， 八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。 2、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、電壓及額定電流下，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(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)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。如下