步進電機的工作原理及應用

1、步金電機地工作原理及應用2008年04月28日 星期一 17:19一、前言步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移地開環(huán)控制元件在非超載地情況下，電機地轉速、停止地位置只取決于脈沖信號地頻率 和脈沖數(shù),而不受負載變化地影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉 過一個步距角.這一線性關系地存在，加上步進電機只有周期性地誤差而 無累積誤差等特點.使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變 地非常地簡單.雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通地直流電 機，交流電機在常規(guī)下使用.它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等 組成控制系統(tǒng)方可使用.因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電 機、

2、電子及計算機等許多專業(yè)知識.目前，生產步進電機地廠家地確不少，但具有專業(yè)技術人員，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 備都沒有.僅僅處于一種盲目地仿制階段.這就給用戶在產品選型、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.二、感應子式步進電機工作原理（一）反應式步進電機原理 因為反應式步進電機工作原理比較簡單.下面先敘述三相反應式步進電 機原理.1、結構:電機轉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子齒軸線錯開0、1/3疋、

3、2/3 T,（相鄰兩轉子齒軸線間地距離為齒距以疋表示），即A與齒1相對齊,B與齒2向右錯開1/3 T ,C與齒3向右錯開2/3 T ,A 與齒5相對齊，（A就是A,齒5就是齒1）下面是定轉子地展開圖：2、旋轉：如A相通電，B,C相不通電時,因為磁場作用,齒1與A對齊，（轉子 不受任何力以下均同）如B相通電,A,C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉子向右移過 1/3 T,此時齒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應與C對齊,此時轉子又向右移過1/3 T, 此時齒4與A偏移為1/3 T對齊.如A相通電,B,C相不通電，齒4與A對齊

4、,轉子又向右移過1/3 T這樣經過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4 （即齒1前一齒）移到A 相,電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按A,B,C,A通電,電機就 每步（每脈沖）1/3 T，向右旋轉.如按A,C,B,A通電，電機就反轉.由此可見：電機地位置和速度由導電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成對應關系.而方向由導電順序決定不過，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 這就是電機細分驅動地基本理論依據(jù)不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻,其軸

5、線分別與轉子齒軸線 偏移1/m,2/m（m-1）/m,1.并且導電按一定地相序電機就能正反轉被控制一一這是步進電機旋轉地物理條件只要符合這一條件我們理論上 可以制造任何相地步進電機，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，在定轉子間將產生磁場（磁通量）當轉子與定子錯開一定角度產生力F與（d/d ）成正比S其磁通量 =Br*SBr為磁密,S為導磁面積F與L*D*Br成正比L為鐵芯有效長度，D為轉子直徑Br="N" I/RN 為勵磁繞阻安匝數(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,電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然（二）感應子式步進電機1、特點：感應子式步進電機與傳統(tǒng)地反應式步進電機相比,結構上轉子加有永磁體,以提供軟磁材料地工作點，而定子激磁只需提供變化地磁場而不 必提供磁材料工作點地耗能，因此該電機效率高，電流小,發(fā)熱低因永磁 體地存在，該電機具有較強地反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運 轉過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小 感應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動），而 反應式電機則不能如此.例如：四相，八相運行（A-AB-B-BC-C

7、-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運行方式.不難發(fā)現(xiàn) 其條件為C=,D=.一個二相電機地內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，而功率大一點地電機，為了方便使用，靈活改變電機地動態(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為感應子 式步進電機代號）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標準），而像70BYG、 90BYG、130BYG等均為國內標準.3、步進電機地靜態(tài)

8、指標術語相數(shù)：產生不同對極 N、S磁場地激磁線圈對數(shù)常用m表示.拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或導電狀態(tài)用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式 即 AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過地角位移用9表示.9 =360度（轉子齒數(shù)J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉子齒為50齒電機為例.四 拍運行時步距角為9 =360度/ （50*4 ） =1.8度（俗稱整步），八拍運行 時步距角為9 =360度/ （50*8 ） =0.9度（俗稱半步）.定位轉矩：電機在

9、不通電狀態(tài)下，電機轉子自身地鎖定力矩（由磁場齒形地諧波以及機械誤差造成地）靜轉矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸地鎖 定力矩.此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）地標準 ，與驅動電壓及驅動 電源等無關.雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉子間地氣隙有關， 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，這樣會造 成電機地發(fā)熱及機械噪音4、步進電機動態(tài)指標及術語：1、步距角精度：步進電機每轉過一個步距角地實際值與理論值地誤差用百分比表示：誤差/步距角*100%.不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應在5%之 內，八拍運行時應在15%以內.2、失步:電機運轉時運轉地步數(shù)

10、，不等于理論上地步數(shù).稱之為失步.3、失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線地角度，電機運轉必存在失調角，由失 調角產生地誤差，采用細分驅動是不能解決地.4、最大空載起動頻率：電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載地情況下， 能夠直接起動地最大頻率.5、最大空載地運行頻率：電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載地最高轉 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系地曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要地，也是電機選擇地根 本依據(jù).如下圖所示：其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等.電機一旦選定，電機地靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機地

11、動態(tài) 力矩取決于電機運行時地平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機地頻率特性越硬.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 與負載地交點為負載地最大速度點要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，使采用小電感大電流地電機7、電機地共振點：步進電機均有固定地共振區(qū)域，二、四相感應子式步進電機地共振區(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），電機驅動電壓越高，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) 地噪音降低，一般工作點均應偏移共

12、振區(qū)較多.8、電機正反轉控制：當電機繞組通電時序為 AB-BC-CD-DA或（）時為正轉，通電時序為DA-CA-BC-AB或（）時為反轉.三、驅動控制系統(tǒng)組成使用、控制步進電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成地控制系統(tǒng)其方框圖如下：1、脈沖信號地產生脈沖信號一般由單片機或 CPU產生，一般脈沖信號地占空比為左右，電機轉速越高，占空比則越大.2、信號分配我廠生產地感應子式步進電機以二、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 1.8度；二相八拍為，步距角為0.9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動系統(tǒng)最為重要地部分.步進電機在一定轉速下地轉 矩取決于它地動態(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）.平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅動系統(tǒng) 盡量克服電機地反電勢.因而不同地場合采取不同地地驅動方式，到目前為止,驅動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅動、恒 流、細分數(shù)等.為盡量提高電機地動態(tài)性能，將信號分配、功率放大組成步進電機 地驅動電源.我廠生產地SH系列二相恒流斬波驅動電源與單片機及電 機接線圖如下：說明:CPOPTO接CPU脈沖信號（負信

14、號，低電平有效）接 CPU+5VFREE脫機，與CPU地線相接,驅動電源不工作DIR方向控制，與CPU地線相接，電機反轉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定型，其性能取決于電機地驅動電源步進電機轉速 越高,力距越大則要求電機地電流越大，驅動電源地電壓越高電壓對力 矩影響如下：4、細分驅動器在步進電機步距角不能滿足使用地條件下 ，可采用細分驅動器來驅 動步進電機，細分驅動器地原理是通過改變相鄰 （A,B）電流地大小，以改 變合成磁場地夾角來控制步進電機運轉地 .四、步進電機地應用（一）步進電機地選擇步進電機有步距角

15、（涉及到相數(shù)）、靜轉矩、及電流三大要素組成.一旦三大要素確定，步進電機地型號便確定下來了 .1、步距角地選擇電機地步距角取決于負載精度地要求，將負載地最小分辨率（當量） 換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）電機地步距角應等于或小于此角度目前市場上步進電機地步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度（三 相電機）等2、靜力矩地選擇步進電機地動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機地靜力 矩靜力矩選擇地依據(jù)是電機工作地負載，而負載可分為慣性負載和摩擦 負載二種.單一地慣性負載和單一地摩擦負載是不存在地 .直接起動時（一般由低

16、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，靜力矩應為摩擦負載地2-3倍 內好,靜力矩一旦選定，電機地機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）3、電流地選擇靜力矩一樣地電機，因為電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依 據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機地電流（參考驅動電源、及驅動電壓）綜上所述選擇電機一般應遵循以下步驟：4、力矩與功率換算步進電機一般在較大范圍內調速使用、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

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)（簡稱PPS）（二）、應用中地注意點1、步進電機應用于低速場合-每分鐘轉速不超過1000轉，（0.9 度時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、 因為歷史原因，只有標稱為12V電壓地電機使用12V外,其他電 機地電壓值不是驅動電壓伏值，可根據(jù)驅動器選擇驅動電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V,86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當然12伏地電壓除12V恒壓驅動外也可以采用其他驅動電源，不 過要考慮溫升.4、轉動慣量大地負載應選擇大機座號電機5、電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用 逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止地定位 精度.6、高精度時，應通過機械減速、提高電機速度，或采用高細分數(shù)地 驅動器來解決,也可以采用5相電機，不過其整個系統(tǒng)地價格較貴，生產廠