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)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(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、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。單。交流電機在常規(guī)下使因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。目前,生產(chǎn)步進電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)

2、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)子式步進電機為例。敘述其基本工作原理。望能對廣大用戶在選型、使用、及整機改進時有所幫助。、感應(yīng)子式步進電機工作原理（一）反應(yīng)式步進電機原理由于反應(yīng)式步進電機工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應(yīng)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、2/3,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以乙表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3

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（X -1/3Z） =2/3 X o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乙對齊。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乙這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4

4、（即齒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,向右旋轉(zhuǎn)。如按 A, C, B, A 通電，電機就反轉(zhuǎn)。電機的位置和速度由導(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-BC C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/37：改變?yōu)?/67：。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3乙變?yōu)?/12, 1/24T,這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(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 （m1）/

5、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

6、，電機力矩越大，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)的反應(yīng)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），而反應(yīng)式電機則不能如此。例如：四相，八相運行（ A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A ）完全可以采用二相八拍運行方式.不難發(fā)

7、現(xiàn)其條件為C=,D=.一個二相電機的內(nèi)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 等均為國內(nèi)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

8、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-BC-CD-DA-AB ，四相八拍運行拍數(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，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用拍數(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。表示。0 =36度/ （轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行四拍運行時步距角為=360度 /（ 50*4）二度（俗稱整步），八拍運行時步距角為0 =36度/ （50*8）=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

9、（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）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，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。4、步進電機動態(tài)指標(biāo)及術(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%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi)。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)

10、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，采用細分驅(qū)動是不能解決的。4、最大空載起動頻率：電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，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，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(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）

11、， 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，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。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(步距角度)或在400pps 左右(步距角為度)，電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(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-

12、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，占空比則越大。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,步距角為度；二相八拍為,步距角為度。四相電機工作方式也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB, 步距角為度；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB,（ 步距角為度）

13、。3、功率放大功率放大是驅(qū)動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉(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）。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅(qū)動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。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、高低壓驅(qū)動、恒流、 細分?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)動電源與單片機及電機接線圖如下：說明：CP 接 CPU 脈沖信號（負信號，低電平有效）OPTO 接 CPU+5VFREE 脫機，與CPU 地線相接，驅(qū)動電

14、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，力距越大則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，可采用細分驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機，細分驅(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

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載精度的要求，將負載的最小分辨率（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度/度（五相電機）、度/度（二、四相電機）、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)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩

16、應(yīng)為摩擦負載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機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，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，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、及驅(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= Q - M Q=2l n/60 P=2 兀 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=2兀fM/400年步工作）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)，（度時6666PPS）,最好在 1000-3000PPS 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，