求步進(jìn)電機的工作原理及其原理圖？？

??一、前言

步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個(gè)脈沖信號，電機則轉過(guò)一個(gè)步距角。這一線(xiàn)性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機只有周期性的誤差而無(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)電機來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。

雖然步進(jìn)電機已被廣泛地應用，但步進(jìn)電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動(dòng)電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進(jìn)電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專(zhuān)業(yè)知識。

目前,生產(chǎn)步進(jìn)電機的廠(chǎng)家的確不少，但具有專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開(kāi)發(fā)，研制的廠(chǎng)家卻非常少，大部分的廠(chǎng)家只一、二十人，連最基本的設備都沒(méi)有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶(hù)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子式步進(jìn)電機為例。

??敘述其基本工作原理。望能對廣大用戶(hù)在選型、使用、及整機改進(jìn)時(shí)有所幫助。

二、感應子式步進(jìn)電機工作原理

（一）反應式步進(jìn)電機原理

由于反應式步進(jìn)電機工作原理比較簡(jiǎn)單。下面先敘述三相反應式步進(jìn)電機原理。

1、結構：

電機轉子均勻分布著(zhù)很多小齒，定子齒有三個(gè)勵磁繞阻，其幾何軸線(xiàn)依次分別與轉子齒軸線(xiàn)錯開(kāi)。0、1/*て、2/*て,（相鄰兩轉子齒軸線(xiàn)間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開(kāi)1/*て，C與齒*向右錯開(kāi)2/*て，A'與齒*相對齊，（A'就是A，齒*就是齒1）下面是定轉子的展開(kāi)圖：

2、旋轉：

如A相通電，B，C相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)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(shí)，齒2應與B對齊，此時(shí)轉子向右移過(guò)1/*て，此時(shí)齒*與C偏移為1/*て，齒4與A偏移（て-1/*て）=2/*て。如C相通電，A，B相不通電，齒*應與C對齊，此時(shí)轉子又向右移過(guò)1/*て，此時(shí)齒4與A偏移為1/*て對齊。

??如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉子又向右移過(guò)1/*て這樣經(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，電機轉子向右轉過(guò)一個(gè)齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機就每步（每脈沖）1/*て,向右旋轉。如按A，C，B，A……通電，電機就反轉。

由此可見(jiàn)：電機的位置和速度由導電次數（脈沖數）和頻率成一一對應關(guān)系。而方向由導電順序決定。

不過(guò)，出于對力矩、平穩、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(lái)每步1/*て改變?yōu)?/6て。

??甚至于通過(guò)二相電流不同的組合，使其1/*て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機細分驅動(dòng)的基本理論依據。

不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線(xiàn)分別與轉子齒軸線(xiàn)偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制——這是步進(jìn)電機旋轉的物理條件。

??只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機，出于成本等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。

*、力矩：

電機一旦通電，在定轉子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)（磁通量Ф）當轉子與定子錯開(kāi)一定角度產(chǎn)生力F與（dФ/dθ）成正比

S

其磁通量Ф=Br*S Br為磁密，S為導磁面積， F與L*D*Br成正比L為鐵芯有效長(cháng)度，D為轉子直徑 Br=N·I/R N·I為勵磁繞阻安匝數（電流乘匝數）R為磁阻。

力矩=力*半徑

力矩與電機有效體積*安匝數*磁密 成正比（只考慮線(xiàn)性狀態(tài)）因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數越大，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(jìn)電機

1、特點(diǎn)：

感應子式步進(jìn)電機與傳統的反應式步進(jìn)電機相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)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，使其在運轉過(guò)程中比較平穩、噪音低、低頻振動(dòng)小。

感應子式步進(jìn)電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個(gè)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(dòng)），而反應式電機則不能如此。

??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)現其條件為C=,D=。

一個(gè)二相電機的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(diǎn)的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線(xiàn)為八根引線(xiàn)（四相），這樣使用時(shí)，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(lèi)

感應子式步進(jìn)電機以相數可分為：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(jìn)電機代號）、**BYG、86BYG、110BYG、（國際標準），而像*0BYG、*0BYG、1*0BYG等均為國內標準。

*、步進(jìn)電機的靜態(tài)指標術(shù)語(yǔ)

相數：產(chǎn)生不同對極N、S磁場(chǎng)的激磁線(xiàn)圈對數。常用m表示。

拍數：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數或導電狀態(tài)用n表示，或指電機轉過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數，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(gè)脈沖信號，電機轉子轉過(guò)的角位移用θ表示。θ=*60度/（轉子齒數J*運行拍數），以常規二、四相，轉子齒為*0齒電機為例。四拍運行時(shí)步距角為θ=*60度/（*0*4）=1。8度（俗稱(chēng)整步），八拍運行時(shí)步距角為θ=*60度/（*0*8）=0。

??*度（俗稱(chēng)半步）。

定位轉矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機械誤差造成的）

靜轉矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運動(dòng)時(shí)，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅動(dòng)電壓及驅動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。

雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關(guān)，但過(guò)份采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì )造成電機的發(fā)熱及機械噪音。

4、步進(jìn)電機動(dòng)態(tài)指標及術(shù)語(yǔ)：

1、步距角精度：

步進(jìn)電機每轉過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。

??用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時(shí)應在*%之內，八拍運行時(shí)應在1*%以?xún)取?/p>

2、失步：

電機運轉時(shí)運轉的步數，不等于理論上的步數。稱(chēng)之為失步。

*、失調角：

轉子齒軸線(xiàn)偏移定子齒軸線(xiàn)的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅動(dòng)是不能解決的。

4、最大空載起動(dòng)頻率：

電機在某種驅動(dòng)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(dòng)的最大頻率。

*、最大空載的運行頻率：

電機在某種驅動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。

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(guān)系的曲線(xiàn)稱(chēng)為運行矩頻特性，這是電機諸多動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)中最重要的，也是電機選擇的根本依據。如下圖所示：

其它特性還有慣頻特性、起動(dòng)頻率特性等。

電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機運行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。

如下圖所示：

其中，曲線(xiàn)*電流最大、或電壓最高;曲線(xiàn)1電流最小、或電壓最低，曲線(xiàn)與負載的交點(diǎn)為負載的最大速度點(diǎn)。

?? 要使平均電流大，盡可能提高驅動(dòng)電壓，使采用小電感大電流的電機。

*、電機的共振點(diǎn)：

步進(jìn)電機均有固定的共振區域，二、四相感應子式步進(jìn)電機的共振區一般在180-2*0pps之間（步距角1。8度）或在400pps左右（步距角為0。

??*度），電機驅動(dòng)電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應偏移共振區較多。

8、電機正反轉控制：

當電機繞組通電時(shí)序為AB-BC-CD-DA或()時(shí)為正轉，通電時(shí)序為DA-CA-BC-AB或()時(shí)為反轉。

三、驅動(dòng)控制系統組成

使用、控制步進(jìn)電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統，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0。

??*-0。4左右，電機轉速越高，占空比則越大。

2、信號分配

我廠(chǎng)生產(chǎn)的感應子式步進(jìn)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。

??*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。8度；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角為0。*度）。

*、功率放大

功率放大是驅動(dòng)系統最為重要的部分。

??步進(jìn)電機在一定轉速下的轉矩取決于它的動(dòng)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動(dòng)系統盡量克服電機的反電勢。因而不同的場(chǎng)合采取不同的的驅動(dòng)方式，到目前為止，驅動(dòng)方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅動(dòng)、恒流、細分數等。

為盡量提高電機的動(dòng)態(tài)性能，將信號分配、功率放大組成步進(jìn)電機的驅動(dòng)電源。我廠(chǎng)生產(chǎn)的SH系列二相恒流斬波驅動(dòng)電源與單片機及電機接線(xiàn)圖如下：

說(shuō)明：

CP 接CPU脈沖信號（負信號，低電平有效）

OPTO 接CPU *V

FREE 脫機，與CPU地線(xiàn)相接，驅動(dòng)電源不工作

DIR 方向控制，與CPU地線(xiàn)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(xiàn)紅線(xiàn)

接電機引出線(xiàn)綠線(xiàn)

B 接電機引出線(xiàn)黃線(xiàn)

接電機引出線(xiàn)藍線(xiàn) 步進(jìn)電機一經(jīng)定型，其性能取決于電機的驅動(dòng)電源。

??步進(jìn)電機轉速越高，力距越大則要求電機的電流越大，驅動(dòng)電源的電壓越高。電壓對力矩影響如下：

4、細分驅動(dòng)器

在步進(jìn)電機步距角不能滿(mǎn)足使用的條件下，可采用細分驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)步進(jìn)電機，細分驅動(dòng)器的原理是通過(guò)改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場(chǎng)的夾角來(lái)控制步進(jìn)電機運轉的。

四、步進(jìn)電機的應用

（一）步進(jìn)電機的選擇

步進(jìn)電機有步距角（涉及到相數）、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機的型號便確定下來(lái)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（當量）換算到電機軸上，每個(gè)當量電機應走多少角度（包括減速）。

??電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機的步距角一般有0。*6度/0。*2度（五相電機）、0。*度/1。8度（二、四相電機）、1。*度/*度 （三相電機）等。

2、靜力矩的選擇

步進(jìn)電機的動(dòng)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(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負載，恒速運行進(jìn)只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-*倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長(cháng)度便能確定下來(lái)（幾何尺寸）

*、電流的選擇

靜力矩一樣的電機，由于電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線(xiàn)圖，判斷電機的電流（參考驅動(dòng)電源、及驅動(dòng)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(jìn)電機一般在較大范圍內調速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來(lái)衡量，力矩與功率換算如下：

P= Ω·M Ω=2π·n/60 P=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（簡(jiǎn)稱(chēng)PPS)

(二）、應用中的注意點(diǎn)

1、步進(jìn)電機應用于低速場(chǎng)合---每分鐘轉速不超過(guò)1000轉，（0。

??*度時(shí)6666PPS)，最好在1000-*000PPS(0。*度）間使用，可通過(guò)減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機工作效率高，噪音低。

2、步進(jìn)電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。

*、由于歷史原因，只有標稱(chēng)為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅動(dòng)電壓伏值 ，可根據驅動(dòng)器選擇驅動(dòng)電壓（建議：**BYG采用直流24V-*6V，86BYG采用直流*0V,110BYG采用高于直流80V），當然12伏的電壓除12V恒壓驅動(dòng)外也可以采用其他驅動(dòng)電源， 不過(guò)要考慮溫升。

4、轉動(dòng)慣量大的負載應選擇大機座號電機。

*、電機在較高速或大慣量負載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。

6、高精度時(shí)，應通過(guò)機械減速、提高電機速度,或采用高細分數的驅動(dòng)器來(lái)解決，也可以采用*相電機，不過(guò)其整個(gè)系統的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠(chǎng)家少，其被淘汰的說(shuō)法是外行話(huà)。

*、電機不應在振動(dòng)區內工作，如若必須可通過(guò)改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。

8、電機在600PPS（0。*度）以下工作，應采用小電流、大電感、低電壓來(lái)驅動(dòng)。

*、應遵循先選電機后選驅動(dòng)的原則。