步進(jìn)電機(jī)的工作原理及其原理圖

步進(jìn)電機(jī)工作原理及其原理圖

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移開環(huán)控制元件。在非超載情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速、停頓位置只取決于脈沖信號(hào)頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載改變影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性誤差而無(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)控制變非常簡(jiǎn)單。

即使步進(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。所以用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它包括到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。

現(xiàn)在,生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)廠家確實(shí)不少，但具備專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制廠家卻非常少，大部分廠家只一、二十人，連最基本設(shè)備都沒(méi)有。僅僅處于一個(gè)盲目標(biāo)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て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間距離為齒距以て表示），即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/3て，C與齒3向右錯(cuò)開2/3て，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(guò)1/3て，此時(shí)齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。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(guò)1/3て，此時(shí)齒4與A偏移為1/3て對(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(guò)1/3て這么經(jīng)過(guò)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(guò)一個(gè)齒距，假如不停地按A，B，C，A……通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3て,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)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)電次序決定。

不過(guò)，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及降低角度等方面考慮。往往采取A-AB-B-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這么將原來(lái)每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于經(jīng)過(guò)二相電流不一樣組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)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。而且導(dǎo)電按一定相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上能夠制造任何相步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場(chǎng)上通常以二、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Ф）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開一定角度產(chǎn)生力F與（dФ/dθ）成正比S其磁通量Ф=Br*SBr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(zhǎng)度，D為轉(zhuǎn)子直徑Br=N·I/RN·I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)）所以，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)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，以提供軟磁材料工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供改變磁場(chǎng)而無(wú)須提供磁材料工作點(diǎn)耗能，所以該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)燒低。因永磁體存在，該電機(jī)具備較強(qiáng)反電勢(shì)，其本身阻尼作用比很好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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)某種程度上能夠看作是低速同時(shí)電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)能夠作四相運(yùn)行，也能夠作二相運(yùn)行。（必須采取雙極電壓驅(qū)動(dòng)），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。比如：四相，八相運(yùn)行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全能夠采取二相八拍運(yùn)行方式.不難發(fā)覺其條件為C=,D=.

一個(gè)二相電機(jī)內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致，小功率電機(jī)通常直接接為二相，而功率大一點(diǎn)電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線為八根引線（四相），這么使用時(shí)，既能夠作四相電機(jī)使用，能夠作二相電機(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)靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ)

相數(shù)：產(chǎn)生不一樣對(duì)極N、S磁場(chǎng)激磁線圈對(duì)數(shù)。慣用m表示。

拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性改變所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)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(guò)角位移用θ表示。θ=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θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=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)子本身鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形諧波以及機(jī)械誤差造成）

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)軸鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。

即使靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間氣隙關(guān)于，但過(guò)份采取減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提升靜力矩是不可取，這么會(huì)造成電機(jī)發(fā)燒及機(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(guò)一個(gè)步距角實(shí)際值與理論值誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不一樣運(yùn)行拍數(shù)其值不一樣，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)步數(shù)，不等于理論上步數(shù)。稱之為失步。

3、失調(diào)角：

轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生誤差，采取細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能處理。

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)載情況下，能夠直接起動(dòng)最大頻率。

5、最大空載運(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)載最高轉(zhuǎn)速頻率。

6、運(yùn)行矩頻特征：

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)系曲線稱為運(yùn)行矩頻特征，這是電機(jī)很多動(dòng)態(tài)曲線中最主要，也是電機(jī)選擇根本依據(jù)。以下列圖所表示：

其它特征還有慣頻特征、起動(dòng)頻率特征等。

電機(jī)一旦選定，電機(jī)靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)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)頻率特征越硬。以下列圖所表示：

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)載交點(diǎn)為負(fù)載最大速度點(diǎn)。要使平均電流大，盡可能提升驅(qū)動(dòng)電壓，使采取小電感大電流電機(jī)。

7、電機(jī)共振點(diǎn)：

步進(jìn)電機(jī)都有固定共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)共振區(qū)通常在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)噪音降低，通常工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(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)锳B-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，功率放大等組成控制系統(tǒng)，其方框圖以下：

1、脈沖信號(hào)產(chǎn)生。

脈沖信號(hào)通常由單片機(jī)或CPU產(chǎn)生，通常脈沖信號(hào)占空比為0.3-0.4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)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，詳細(xì)分配以下：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1.8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)最為主要部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩取決于它動(dòng)態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機(jī)力矩越大，要達(dá)成平均電流大這就需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡可能克服電機(jī)反電勢(shì)。因而不一樣場(chǎng)所采取不一樣驅(qū)動(dòng)方式，到現(xiàn)在為止，驅(qū)動(dòng)方式通常有以下幾個(gè)：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。

為盡可能提升電機(jī)動(dòng)態(tài)性能，將信號(hào)分配、功率放大組成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。我廠生產(chǎn)SH系列二相恒流斬波驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)及電機(jī)接線圖以下：

說(shuō)明：

CP接CPU脈沖信號(hào)（負(fù)信號(hào)，低電平有效）

OPTO接CPU+5V

FREE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)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)電流越大，驅(qū)動(dòng)電源電壓越高。電壓對(duì)力矩影響以下：

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條件下，可采取細(xì)分驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器原理是經(jīng)過(guò)改變相鄰（A，B）電流大小，以改變合成磁場(chǎng)夾角來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

四、步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用

（一）步進(jìn)電機(jī)選擇

步進(jìn)電機(jī)有步距角（包括到相數(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)型號(hào)便確定下來(lái)了。

1、步距角選擇

電機(jī)步距角取決于負(fù)載精度要求，將負(fù)載最小分辨率（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（包含減速）。電機(jī)步距角應(yīng)等于或小于此角度?，F(xiàn)在市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)步距角通常有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。步進(jìn)電機(jī)工作原理及其原理圖(2)2、靜力矩選擇

步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)力矩一下子極難確定，我們往往先確定電機(jī)靜力矩。靜力矩選擇依據(jù)是電機(jī)工作負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一慣性負(fù)載和單一摩擦負(fù)載是不存在。直接起動(dòng)時(shí)（通常由低速）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。通常情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)（幾何尺寸）

3、電流選擇

靜力矩一樣電機(jī)，因?yàn)殡娏鲄?shù)不一樣，其運(yùn)行特征差異很大，可依據(jù)矩頻特征曲線圖，判斷電機(jī)電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓）

總而言之選擇電機(jī)通常應(yīng)遵照以下步驟：

4、力矩與功率換算

步進(jìn)電機(jī)通常在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是改變，通常只用力矩來(lái)衡量，力矩與功率換算以下：

P=Ω·MΩ=2π·n/60P=2πnM/60

其P為功率單位為瓦，Ω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=2πfM/400(半步工作）

其中f為每秒脈沖數(shù)（簡(jiǎn)稱PPS)

(二）、應(yīng)用中注意點(diǎn)

1、步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場(chǎng)所---每分鐘轉(zhuǎn)速不超出1000轉(zhuǎn)，（0.9度時(shí)6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可經(jīng)過(guò)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電壓電機(jī)使用12V外，其余電機(jī)電壓值不是驅(qū)動(dòng)電壓伏值，可依照驅(qū)動(dòng)器選擇驅(qū)動(dòng)電壓（提議：57BYG采取直流24V-36V，86BYG采取直流50V,110BYG采取高于直流80V），當(dāng)然12伏電壓除12V恒壓驅(qū)動(dòng)外也能夠采取其余驅(qū)動(dòng)