步進(jìn)電機(jī)的工作原理及應(yīng)用

1、步金電機(jī)地工作原理及應(yīng)用2008年04月28日 星期一 17:19一、前言步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移地開環(huán)控制元件在非超載地情況下，電機(jī)地轉(zhuǎn)速、停止地位置只取決于脈沖信號(hào)地頻率 和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化地影響，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)系地存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性地誤差而 無累積誤差等特點(diǎn).使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變 地非常地簡(jiǎn)單.雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通地直流電 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)、

2、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)地廠家地確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自 行開發(fā)，研制地廠家卻非常少，大部分地廠家只一、二十人,連最基本地設(shè) 備都沒有.僅僅處于一種盲目地仿制階段.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，我們決定以廣泛地感應(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 因?yàn)榉磻?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疋、

3、2/3 T,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間地距離為齒距以疋表示），即A與齒1相對(duì)齊,B與齒2向右錯(cuò)開1/3 T ,C與齒3向右錯(cuò)開2/3 T ,A 與齒5相對(duì)齊，（A就是A,齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子地展開圖：2、旋轉(zhuǎn)：如A相通電，B,C相不通電時(shí),因?yàn)榇艌?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 T,此時(shí)齒3與C偏移為1/3 T,齒4與A偏移（T -1/3 T）=2/3 T. 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 T, 此時(shí)齒4與A偏移為1/3 T對(duì)齊.如A相通電,B,C相不通電，齒4與A對(duì)齊

4、,轉(zhuǎn)子又向右移過1/3 T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 T，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)地位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成對(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1/3疋改變?yōu)?/6T .甚至于通過二相電流不同地組合，使其1/3疋變?yōu)?/12匚1/24匚 這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)地基本理論依據(jù)不難推出：電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻,其軸

5、線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線 偏移1/m,2/m（m-1）/m,1.并且導(dǎo)電按一定地相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制一一這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)地物理?xiàng)l件只要符合這一條件我們理論上 可以制造任何相地步進(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S其磁通量 =Br*SBr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="N" I/RN 為勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻.力矩二力*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

6、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)地反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比,結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體,以提供軟磁材料地工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化地磁場(chǎng)而不 必提供磁材料工作點(diǎn)地耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小,發(fā)熱低因永磁 體地存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)地反電勢(shì)，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(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

7、-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)地內(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)地電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)地動(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)地靜態(tài)

8、指標(biāo)術(shù)語(yǔ)相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極 N、S磁場(chǎng)地激磁線圈對(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)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過地角位移用9表示.9 =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9 =360度/ （50*4 ） =1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行 時(shí)步距角為9 =360度/ （50*8 ） =0.9度（俗稱半步）.定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在

9、不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身地鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形地諧波以及機(jī)械誤差造成地）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)軸地鎖 定力矩.此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）地標(biāo)準(zhǔn) ，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng) 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)子間地氣隙有關(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地，這樣會(huì)造 成電機(jī)地發(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)步距角地實(shí)際值與理論值地誤差用百分比表示：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)地步數(shù)

10、，不等于理論上地步數(shù).稱之為失步.3、失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線地角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失 調(diào)角產(chǎn)生地誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決地.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)載地情況下， 能夠直接起動(dòng)地最大頻率.5、最大空載地運(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)載地最高轉(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)系地曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要地，也是電機(jī)選擇地根 本依據(jù).如下圖所示：其它特性還有慣頻特性、起動(dòng)頻率特性等.電機(jī)一旦選定，電機(jī)地靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)地

11、動(dòng)態(tài) 力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)地平均電流（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)地頻率特性越硬.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)載地交點(diǎn)為負(fù)載地最大速度點(diǎn)要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，使采用小電感大電流地電機(jī)7、電機(jī)地共振點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)均有固定地共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)地共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)系統(tǒng) 地噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共

12、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(shí)序?yàn)?AB-BC-CD-DA或（）時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)镈A-CA-BC-AB或（）時(shí)為反轉(zhuǎn).三、驅(qū)動(dòng)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，功率放大等組成地控制系統(tǒng)其方框圖如下：1、脈沖信號(hào)地產(chǎn)生脈沖信號(hào)一般由單片機(jī)或 CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號(hào)地占空比為左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大.2、信號(hào)分配我廠生產(chǎn)地感應(yīng)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.

13、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(dòng)系統(tǒng)最為重要地部分.步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下地轉(zhuǎn) 矩取決于它地動(dòng)態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上地電流均為靜態(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(dòng)系統(tǒng) 盡量克服電機(jī)地反電勢(shì).因而不同地場(chǎng)合采取不同地地驅(qū)動(dòng)方式，到目前為止,驅(qū)動(dòng)方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒 流、細(xì)分?jǐn)?shù)等.為盡量提高電機(jī)地動(dòng)態(tài)性能，將信號(hào)分配、功率放大組成步進(jìn)電機(jī) 地驅(qū)動(dòng)電源.我廠生產(chǎn)地SH系列二相恒流斬波驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)及電 機(jī)接線圖如下：說明:CPOPTO接CPU脈沖信號(hào)（負(fù)信

14、號(hào)，低電平有效）接 CPU+5VFREE脫機(jī)，與CPU地線相接,驅(qū)動(dòng)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)地驅(qū)動(dòng)電源步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速 越高,力距越大則要求電機(jī)地電流越大，驅(qū)動(dòng)電源地電壓越高電壓對(duì)力 矩影響如下：4、細(xì)分驅(qū)動(dòng)器在步進(jìn)電機(jī)步距角不能滿足使用地條件下 ，可采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器來驅(qū) 動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器地原理是通過改變相鄰 （A,B）電流地大小，以改 變合成磁場(chǎng)地夾角來控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)地 .四、步進(jìn)電機(jī)地應(yīng)用（一）步進(jìn)電機(jī)地選擇步進(jìn)電機(jī)有步距角

15、（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)地型號(hào)便確定下來了 .1、步距角地選擇電機(jī)地步距角取決于負(fù)載精度地要求，將負(fù)載地最小分辨率（當(dāng)量） 換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）電機(jī)地步距角應(yīng)等于或小于此角度目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)地步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度（三 相電機(jī)）等2、靜力矩地選擇步進(jìn)電機(jī)地動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)地靜力 矩靜力矩選擇地依據(jù)是電機(jī)工作地負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦 負(fù)載二種.單一地慣性負(fù)載和單一地摩擦負(fù)載是不存在地 .直接起動(dòng)時(shí)（一般由低

16、速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)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)載地2-3倍 內(nèi)好,靜力矩一旦選定，電機(jī)地機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來（幾何尺寸）3、電流地選擇靜力矩一樣地電機(jī)，因?yàn)殡娏鲄?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)地電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓）綜上所述選擇電機(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、其功率是變化地，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：P=Q =2 n n/60P="2" n nM/60其P為功率單位為瓦，Q為每秒角速度,單位為弧度,n為每分鐘轉(zhuǎn)

17、速,M為力矩單位為牛頓米P="2" n fM/40（半步工作）其中f為每秒脈沖數(shù)（簡(jiǎn)稱PPS）（二）、應(yīng)用中地注意點(diǎn)1、步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場(chǎng)合-每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9 度時(shí)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(shí)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(shí)振動(dòng)大.3、 因?yàn)闅v史原因，只有標(biāo)稱為12V電壓地電機(jī)使用12V外,其他電 機(jī)地電壓值不是驅(qū)動(dòng)電壓伏值，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器選擇驅(qū)動(dòng)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伏地電壓除12V恒壓驅(qū)動(dòng)外也可以采用其他驅(qū)動(dòng)電源，不 過要考慮溫升.4、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大地負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號(hào)電機(jī)5、電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用 逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止地定位 精度.6、高精度時(shí)，應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度，或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)地 驅(qū)動(dòng)器來解決,也可以采用5相電機(jī)，不過其整個(gè)系統(tǒng)地價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠