步進電機的基礎知識

1、步進電機的基礎知識步進電機是一種將電脈沖信號轉換成離散力學運動的機電設備。當施加適當?shù)碾娒}沖指令時，步進電機旋轉的軸或主軸將會以不連續(xù)的步進增量旋轉。電機轉動與施加的脈沖之間有幾個方面的直接關系。所施加的脈沖序列決定了電機軸的旋轉方向；電機的輸出軸旋轉的速度決定于輸入脈沖的頻率；電機旋轉的角度決定于輸入脈沖的數(shù)量。 步進電機的優(yōu)點和缺點優(yōu)點：1.電機的旋轉角度與輸入脈沖成正比。 2.當繞組通電時，電機轉矩處于完全靜止狀態(tài)。 3.因為良好的步進電機的準確度為3-5，而且不會將誤差從一個步驟累計到下一步，所以步進電機能夠精確定位和重復性地運動。 4.對啟動/停止/換向有極好的反應。 5.因為沒有接

2、觸到電機上的電刷，所以它非?？煽俊ｋ姍C的使用壽命僅僅依賴于軸承的壽命。 6.電機對數(shù)字輸入脈沖的響應提供了開環(huán)控制，這樣使電機能夠更簡單和低成本的控制。 7.負載直接耦合到軸，可以實現(xiàn)非常低速的同步旋轉。 8.當速度與輸入脈沖的頻率成正比，可以實現(xiàn)更大范圍的旋轉速度。缺點：1.如果不恰當?shù)乜刂瓶赡軙a生共振。 2.如果速度太快則不易操作。開環(huán)控制：步進電機的一個最顯著的優(yōu)點是它能夠在開環(huán)系統(tǒng)中被精確地控制。開環(huán)控制是指不需要反饋有關位置的信息。這種類型的控制可以消除昂貴的傳感和反饋裝置的需要，例如光學編碼器。只需輸入步驟脈沖跟蹤就能知曉您此刻所處的位置。步進電機的類型步進電機有三種類型，分別是

3、：1. 可變磁阻型2. 永久磁場型3. 混合型可變磁阻型（VR）這種類型的步進電機已經存在了很長一段時間。從結構上來看，它可能是最容易理解的。圖1顯示出了一個典型的V.R.步進電機的截面。這種類型的電機包括一個軟鐵多齒的轉子和一個繞定子。當定子繞組通過直流電流通電，電機磁極則被磁化。當轉子齒被吸引到帶電的定子極時，電機發(fā)生旋轉。永久磁場型（PM）永久磁場型的步進電機通常被稱為“錫罐”電機，是一種低成本、低分辨率類型的電機，它的典型步距角為7.5°至15°（48 - 24步/轉）。永久磁場型步進電機顧名思義有永久磁鐵附加的電機的結構。與可變磁阻型電機相比，這種電機的轉子不再有

4、齒。相反的，轉子是隨著北極和南極交替坐落于一條平行于轉子軸的直線而磁化。這些磁化轉子磁極為電機提供一種增加的磁通強度，因此，這種永久磁場型電機與可變磁阻型電機相比，具有更高級的轉矩特性。 圖1 可變磁阻型步進電機的截面混合型（HB）混合型步進電機比永磁型步進電機更昂貴，但在分辨率，轉矩和速度上提供了更好的性能。對于混合型步進電機，其典型的步距角的范圍是3.6°0.9°（100 - 400步每轉）。該混合式步進電機結合了永久磁場型步進電機和可變磁阻型步進電機的優(yōu)良特性。轉子是像可變磁阻型電機，是多齒型的，并包含一個軸向磁化同心磁體繞著它的軸 。轉子上的齒提供了一條更好的路徑，

5、它有助于引導首選地點中的磁通氣隙。與VR和PM型電機相比，進一步增加了鎖定、控股和動態(tài)轉矩的電機特性。最常用的兩種步進電機是永久磁鐵型和混合型。如果設計師不知道哪種類型的步進電機最能滿足他的應用需求，他應該先評估永久磁場型的電機，因為它通常是更便宜的。如果永磁型電機不適合的話，那么混合型電機可能是正確的選擇。此外，還存在著一些特殊設計的步進電機。一個是盤式的永磁步進電機，它的轉子是由稀土磁鐵制成的，設計得像一張光盤，如圖2。該型電機有一定的優(yōu)勢，例如非常低慣量和一個之間沒有耦合的兩個定子繞組的優(yōu)化的磁流路。在某些應用中，這些品質是必不可少的。尺寸和功率 除了根據(jù)步進電機步距角分類之外，步進電機

6、也根據(jù)電機對應的直徑的整體尺寸來分類。例如，一個大小為11的步進電機的直徑約1.1英寸。同樣大小23的步進電機具有機身直徑為2.3英寸（58毫米）。然而整體大小相同的步進電機由于屬于不同的機型，在機身長度上可能會有變化。一般而言，某一個特定尺寸的電機的可用輸出力矩會隨著機身長度的增加而增加。步進電機的驅動IC的功率范圍通常由對非常小的電機的低于1瓦特到對大型電機的10-20瓦特。在電機制造商的數(shù)據(jù)里，電機的最大功耗水平和熱極限很少明確提出。為了證明這一點，我們必須應用的關系為：P= V×I。例如，大小為23的步進電機，每階段額定電壓、電流為6V和1A。因此，與兩個階段通電兩相電源的電

7、機的額定功耗為12瓦。測量步進電機的熱量揮發(fā)水平的通常做法是，在靜止的空氣中，讓電機的熱量上升到65°C。如果給電機安裝散熱裝置，通?？梢栽黾釉试S功耗水平。這一點很重要，因為電機的設計要求它應該在尺寸、輸出功率和成本的角度來有效地利用其最大功耗。何時使用步進電機當受控運動必需時，步進電機可以是一個很好的選擇。當需要控制旋轉角度，速度，位置和同步時，步進電機的優(yōu)勢可以在這些應用中得到有效利用。由于自身固有的優(yōu)勢，步進電機在許多不同的應用中已經找到了自己的位置，包括打印機，繪圖儀，高端辦公設備，硬盤驅動器，醫(yī)療設備，傳真機械，汽車等。 圖2.磁通通過兩桿步進電機的轉子和定子之間旋轉磁場當

8、一相繞組的步進機電動機通以激勵電流時，就會產生磁通，該磁通的方向是由“右手規(guī)則”決定的。“右手規(guī)則”規(guī)定：“如果磁力線垂直進入右手，四指所指向的方向為導線中感應電流的方向，大拇指所指向的方向則為磁場方向。”圖2顯示出的磁通路徑走向，B相通電時繞組電流方向如圖所示。轉子控制自身使磁通的阻抗最小化。在這種情況下的電動機將順時針方向旋轉，這樣它的南極與北極對齊的定子B在位置2，北極與南極對齊的定子B在位置6。為了讓電機轉動，我們現(xiàn)在可以看到，我們必須提供一系列的激勵定子繞組，提供一個旋轉的磁場場，在磁吸力的作用下，帶動定子轉動。轉矩代數(shù)步進電機產生的轉矩取決于幾個因素：步進速率繞組的驅動電流驅動器設

9、計或類型在一個步進電機中，當轉子和定子的磁通量互相交鏈時，轉矩才發(fā)生變化。該定子是由一個高滲透性磁材料組成的。這和電子電路中電流集中在導體中的方式一樣，這種高滲透性磁性材料導致了磁通量被部分地限定在定子的磁路上。這是為了把磁通量集中在定子兩極。當繞組通電時，電機產生的轉矩輸出與磁通產生的強度成比。磁通量與磁密的基本關系為：H = (N ×I) ÷l，其中：N =繞組的匝數(shù)I =電流 H =磁場強度 l=磁通路徑的長度這種關系表明，磁通量的強度與扭矩繞組的匝數(shù)和電流成正比，與磁通路徑的長度成反比。從這個基本關系可以看出，相同的大小的步進電機，通過改變繞組參數(shù)可有不同的扭矩輸出

10、。更多關于繞組參數(shù)如何影響步進電機輸出量的詳細資料，可以在題為“驅動器電路基礎”的應用說明中找到。相、極和步進角一般情況下，步進電機是兩相的，但三相和五相電機也是存在的。雙極電機有兩相，每一相有一個繞組。單極電機也有兩相，每相有一個繞組，只是每相繞組多了一個中心抽頭。有時單極步進電機被稱為一個“四相電機“，盡管它只有兩相。 也存在每相有兩個單獨繞組的電機，這些電機采用雙極性或單極模式來驅動。極可以被定義為磁化體磁通密度集中的區(qū)域。轉子和步進電機的定子都有磁極。圖2是一個簡化的兩相步進電機，定子每相有2個極（1對極），轉子上有2極（一對極）。在現(xiàn)實中，轉子和定子結構會加入更多的磁極，以增加步數(shù)電

11、動機每轉的步數(shù)，換句話說，就是提供一個較小的基本（全步）步進角度。永久永磁步進電機包含一個相等數(shù)量的轉子和定子的極對。通常情況下，PM電機有12個極對數(shù)，即定子每相具有12個極對。混合型步進電機有一個帶齒的轉子，該轉子被分成兩部分，由永磁隔開，使一半的齒成為南極，另一半成為北極，而轉子的極對數(shù)量就等于任何轉子齒數(shù)的一半。為了建立一個較高的等效磁極數(shù)，混合型電機的定子極也有齒（對于較小的極距，等效磁極數(shù)=360/齒距）。與等效磁極比較，基本的極上是有繞組纏繞的。通常4個主極適用于3.6度的電機，而8個極適用于1.8和0.9度類型的電機。轉子極數(shù)、等效定子磁極數(shù)和相數(shù)的關系式之間決定了步進電機整步

12、時的步距角。步距角=360 ÷(NPh ×Ph)=360/NNPh =每相等效磁極數(shù)相位=轉子極數(shù)Ph=相數(shù)N =各相磁極數(shù)之和如果在轉子和定子的齒距是不相等的，則存在更為復雜的關系式。步進模式以下是最常見的驅動模式：波動驅動（1相通電）全步驅動（2相通電）半步驅動（12相通電）微步驅動（連續(xù)不同的電機電流變化）對于以下的討論，請參閱圖3。 在波動驅動中，只有一個繞組在任何給定的時間內通電。該定子通電序列為 A B ，轉子的轉動步驟為8 2 4 6。對于同一繞組參數(shù)的單極性和雙極性的電機，這種激勵模式會導致轉子在相同的機械位置運行。該驅動模式的缺點是對于繞組的利用率在單極的

13、電機只有25，而在雙極性電機只有50。這意味著你沒有從電機運行中得到最大轉矩輸出。在全步驅動下，任何給定時間內都有兩相通電。根據(jù)定子通電序列AB B A，轉子將按步驟1 3 5 7步進。全步模式和單相通電有相聯(lián)系的運動角度，但在機械位置上偏移了二分之一。單極性電機的輸出轉矩要低于其雙極性電機（電機同一繞組參數(shù)），因為單極電機只使用50的繞組，而雙極性電機卻利用了整個繞組。半步驅動結合波動驅動和全步驅動（12相通電）兩種模式。在這種模式下，第二步僅有一相通電，在其他步上，每極都有一相通電。根據(jù)定子通電序列AB B B A A，轉子的步進位置為 1 2 3 4 5 6 7 8。這樣的運動的角度只有

14、1 或2相通電那種驅動模式下歩距角的一半。和1 或2相通電驅動模式相比，半步運行可以減少共振現(xiàn)象。 圖3.單極和雙極步進電機 表1中對上述驅動模式的激勵序列作了總結。在微步驅動時，繞組中的電流是連續(xù)變化的，以便能夠將一個整步分成許多較小的離散微步。更多關于微步驅動的詳細信息可以找到。 表1.不同的驅動模式的激勵序列轉矩特性步進電機的距角特性是指步進電機按照額定電壓通電時，施加到轉子軸上的力矩與對應的偏移角度之間的關系。一個理想的步進電機具有正弦曲線的轉矩特性，如圖4所示。當負載被施加到轉子軸時，位置A和C分別代表穩(wěn)定平衡點。當你將一個外力Ta作用在電機的轉軸上，就會產生一個對應的偏移角度。該偏

15、移角度a，角度超前或滯后，取決于電機是處于加速或減速狀態(tài)。當轉子上施加載荷停止時，它將保持在一個被定義為偏移角的位置上。該電機產生的力矩Ta，對應于施加的外力以平衡負載。隨著負載增加，偏移角也增加，直到達到電機的最大控股轉矩Th。一旦超過電機將進入一個不穩(wěn)定的區(qū)域。在這種區(qū)域的轉矩產生反向，并且轉子躍過不平衡點到達下一個平衡點。 圖4.轉矩.轉子在不同位置的轉矩偏移角由以下關系式確定：X = (Z ÷2) ×sin(Ta ÷Th)，其中：Z =轉子齒距 Ta=負載轉矩 Th =電動機額定轉矩 X =偏移角因此，如果你對帶負載電機的步距角誤差覺得有問題的話，你可以通

16、過改變電機的“剛度”來改善。這是通過增加電機的額定轉矩來實現(xiàn)。我們可在圖4看到這一效果。對于一個恒定負載，增加額定轉矩可以使滯后角從Q2偏移到Q1 。步距角精度步進電機作為一款定位設備取得了如此受歡迎的原因之一是它的精度和可重復性。通常步進電機的步距角精度達到每步的3% - 5%。這個誤差不是一步一步累積的。步進電機的精度主要受它的零件精度和裝配的影響。圖5示出了典型步進電機的矩角精度。 圖5.步進電機的矩角精度a.步矩角誤差當電機從先前位置旋轉到下一步時產生的最大正向或負向誤差步矩角誤差=測量步矩角 - 理論角度b.定位誤差電機從初始位置步進N次（N= 360°/步矩角），測量每一

17、步到初始位置的角度。如果第N步的位置到初始位置的角度為N，誤差是N，則：N = N - (步矩角) ×N。盡管位置誤差是最大值和最小值之間的差異，但通常表示為±符號。即為：位置誤差= ±12( Max - Min)c.遲滯位置誤差在兩個方向測量中獲得的誤差值。機械參數(shù)，負載，摩擦，慣量步進電機系統(tǒng)（驅動器和電機）的性能高度依賴于機械負載參數(shù)。負載是定義為電機所驅動的，一般是指摩擦，慣量或兩者的組合。摩擦力由于表面的凹凸不平、相互摩擦而產生的對運動的阻力。摩擦力是一個常數(shù)與速度相乘。在整個步進過程中，需要最小的力矩（至少等于摩擦），來克服當前的摩擦力。增加摩擦負荷，

18、將降低最大速度和加速度，增加了矩角誤差。如果磨擦負載降低將得到相反的結果。慣量是抵抗變化速度的。一個高慣性負載要求一個高慣性力矩和同樣的適用于制動。增加一個慣性負荷將增加速度的穩(wěn)定性，增加所需的時間以達到所希望的速度和減少最大的自啟動脈沖速率。如果慣量降低則得到相反的結果。步進電機的轉子振動將隨摩擦力和慣性負載的大小而變化。由于這種機械阻尼裝置，不必要的轉子振蕩可以減小。通常采用更為簡單的電子阻尼的方法，以減少這些不必要的振動例如把整步驅動變?yōu)榘氩津寗?。轉矩與速度特性對于一個特定的應用，轉矩與速度之間的關系特性是選擇合適的電機驅動的關鍵。這些特性是依賴于（變化）電機，激勵模式、不同的驅動器或驅

19、動器的方法。一個典型的“轉速 - 轉矩曲線”如圖6所示。為了獲得更好的理解需要定義與這條曲線相關的概念。 圖6.轉速 - 轉矩特性曲線a.保持轉矩電機在停止時產生的最大轉矩。b.牽入曲線牽入曲線定義了一個作為開始停止的區(qū)域。這是電機在施加負荷的情況下，可以瞬間啟動/停止且不損失同步的最高頻率。c.最大起動功率指無負載施加時的最大起動功率。d.牽出曲線牽出曲線定義一個被稱為運轉的區(qū)域。它指的是電機能夠運行到最大頻率而不會失去同步。因為此區(qū)域在牽入區(qū)域以外，電機必須通過一個階段（加速或減速）才能進入這一區(qū)域。e.最大轉換速率電機無負荷時的最高工作頻率。牽入特性的變化取決于負載。負載慣量越大，牽入區(qū)域越小。從曲線的形狀我們可以看到，步進頻率影響電機的轉矩輸出能力。隨著速度的增加，轉矩輸出