步進(jìn)電機(jī)的工作原理

1、1.步進(jìn)電機(jī)的工作原理該步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。圖1四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)SB接通電源，SA SC SD斷開(kāi)，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì) 齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和G D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和D A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開(kāi)關(guān)SC接通電源，SB SA SD斷開(kāi)時(shí)，由于C相繞組的磁力線和1、4 號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，1、4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。而0、 3號(hào)齒和A B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依

2、次 類(lèi)推，A、B、G D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著 A、B、G D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同， 可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作 方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。八拍工作方式的 步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力 矩又可以提高控制精度。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖2.a、b、c所示：脈沖 juTrLfLrLRnrLrLrLnn.n n b 相 _nntlCta _n_n_TL b g i n n na. 單四拍拍c-rLnruLrLrLnjTrLrLnTL jTJinnnnnrLrLrL

3、rLrLrLruinJ_LJ_1 _I_1 J I |.1 II_II_L | L J |1_I-_I_I_I_II_II L-ni _irb. 雙四 八拍51單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的方法。驅(qū)動(dòng)電壓12V,步進(jìn)角為 7.5度.一圈360度，需要48個(gè)脈沖完成！!該步進(jìn)電機(jī)有6根引線，排列次序如下： 采用51驅(qū)動(dòng)ULN2003的方法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。1:紅色、2:紅色、3:橙色、4:棕色、5:黃色、6:黑色VCC系統(tǒng)電源:5VV2UIthiFR1 90KGNDOVCCA立37_ 蔚35_%3333IC1AT89C51RSTPSENXIX2/ALE(AD0)P0.D(A8)P2O(ADL)PDl(A9)P2

4、1CAD2)PD.2CA10JP2 2(AD3JPD. 3(A1QP2 3(AIX)PO 4(A12)P2 4(AD5)P0.5(A13)P2 5(ADfl)POS(Al4)P2dCAD7)P0.7CA15)P27pi omP30/RXD0PI.1H2EXP3 EDOP1.2JRXDIF3 2/TNT0P1.3/TXD3P3MNT】P1.4J1NT2PMEPl 5/TNT3P3 5EPl.tf/1NT4P3 6麗RP1.7/TNT5P377RD亮 X230 _22 JT24乃32728J0TF_1516 G-ULN2003的驅(qū)動(dòng)直接用單片機(jī)系統(tǒng)的12V3 DpIBIC2B2C3B3C4B。匚5

5、B5C6B6C7CGNDVCCIC26oUHrO' o-LLOVCC5V電壓，可能力矩不是很大， 大家可自行加大驅(qū)動(dòng)電壓到步進(jìn)電機(jī)桂子, 翦 里色紅色 v80r嘉1.步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況 下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，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)系的存在， 加上步進(jìn)電機(jī)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(jī)來(lái)控制變的非常的簡(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)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)

6、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)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)。目前，生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少， 但具有專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開(kāi)發(fā)，研制的廠家卻非常少， 大部分的廠家只一、 二十人，連最基本的設(shè)備都沒(méi)有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況，我們決定以廣泛的感應(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)工作原理卜面先敘述三相反（一）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡(jiǎn)單。應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理。1 、結(jié)構(gòu)：電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻

7、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(kāi)。0、1/32/3 T,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以乙表示），即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開(kāi)1/3 T, C與齒3向右錯(cuò)開(kāi)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)子的展開(kāi)圖：2 、旋轉(zhuǎn)：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(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 T,此時(shí)齒3與C偏移為1/3 T,齒4與A偏移y-1/3 T） =2/3a如C相通電， A, B相不通電，齒3應(yīng)與C對(duì)

8、齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3 T,此時(shí)齒4與A偏移為1/3P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 T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(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過(guò)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 ,向右旋轉(zhuǎn)。如按 A, C, B, A通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。由此可見(jiàn)：電機(jī)的位置和速度由導(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)電順序決定。不過(guò)，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(lái)每步1/3乙改變?yōu)?/6 To

9、甚至于通過(guò)二相電流不同的組合，使其 1/3乙變?yōu)?/12 T, 1/24 T,這就是電機(jī) 細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(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。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制一一這是 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(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(kāi)一定角度產(chǎn)生力F與（d/d 0 ）成正比其磁通量=Br*S Br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

10、直徑 Br=NI - 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)）因此，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)的反應(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(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其 自身阻尼作用比較好，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)某種程度上可以看作

11、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-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)的內(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)的電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)的動(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(lèi) 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

12、（BYGl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?均為國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。3 、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ)相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極N S磁場(chǎng)的激磁線圈對(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(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)的角位移 用0表示。=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

13、。=360度/ （50*4） =1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為。=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)子自身 的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）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)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)， 與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)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(jī)的發(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(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(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)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。3 、失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。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)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。5 、最大空載的運(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)載的最高轉(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)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是