步進電動機論文

1、探次 2009級控制電機姓名學號院、系、部 專業(yè)完成時間步進電動機電氣工程系電氣工程及其自動化2012年5月17日目錄、步進電動機概述 2.1.1 簡介2.1.2 分類3.二、感應子式步進電動機的工作原理 32.1反應式步進電動機工作原理 32.1.1 結(jié)構(gòu)：3.2.1.2 旋轉(zhuǎn)：3.2.1.3 力矩：4.三、步進電動機組成 8.3.1脈沖信號的產(chǎn)生。5.3.2功率放大5.3.3細分驅(qū)動器9.四、步進電機的應用7.4.1步進電機的選擇7.步距角的選擇7.靜力矩的選擇7.電流的選擇7.力矩與功率換算 104.2應用中的注意點 8.結(jié)束語：9.參考文獻：9.步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位

2、移的開環(huán)控制元步進電機件。它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。 可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移 量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速 度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。本文詳細介紹了步進電機的發(fā)展史， 步進電 機的分類以及步進電機的發(fā)展趨勢。關鍵詞：步進電機 脈沖 發(fā)展一、步進電動機概述1.1簡介步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制， 并將電脈沖激勵信號轉(zhuǎn)換成相應 的角位移或線位移的離散值控制電動機，這種電動機每當輸入一個電脈沖就動一 步，所以又稱脈沖電動機。一般電動機都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而步進電動機則有定位 和運轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當有脈沖輸入肘步進電動機一步一步

3、地轉(zhuǎn)動， 每給它一個 脈沖信號，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格 成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、 頻率及電動 機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。在沒有脈沖輸入時， 在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。1.2分類步進電動機按其輸出轉(zhuǎn)矩的大小來分，可以分為快速步進電動機和功率步進 電動機。快速步進電動機連續(xù)工作頻率高而輸出轉(zhuǎn)矩較小，一般在N cm級，可以作為控制小型精密機床的工作臺（例線切割機床）也可以和液壓轉(zhuǎn)矩放大器組 成電液脈沖馬達去驅(qū)動數(shù)控機床的工作臺，而功率步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩就比較 大是

4、Nm級的，可以直接去驅(qū)動機床的移動部件。步進電動機按其勵磁相數(shù)， 可以分為三相、四相、五相、六相甚至八相。一般來說隨著相數(shù)的增加，在相同 頻率的情況下，每相導通電流的時間增加，各相平均電流會高些，從而使電動機 的轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩特性會好些，步距角亦小。但是隨著相數(shù)的增加，電動機的尺寸就 增加，結(jié)構(gòu)亦復雜，目前多用 36相的步進電動機。步進電動機按其工作原理 來分，主要有磁電式和反應式兩大類。 這里以廣泛的感應子式步進電機為例， 敘 述其基本工作原理。、感應子式步進電動機的工作原理2.1反應式步進電動機工作原理由于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。結(jié)構(gòu)：電機轉(zhuǎn)子均勻分布

5、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(zhuǎn)子齒軸線錯開。0、1/3疋、2/3 T ,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的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(zhuǎn)子的展開圖：旋轉(zhuǎn)：如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何 力以下均同）。如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子又向右移過1

6、/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，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，電機轉(zhuǎn) 子向右轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。如按A, C, B, A通電，電機就反轉(zhuǎn)。由此可見：電機的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-BCC-CA-A這種導電狀態(tài)，這樣將原來每步 1/3 T改變?yōu)?/6 T。甚至于通過二相 電流不同的組合，使其

7、1/3 T變?yōu)?/12 T, 1/24 T,這就是電機細分驅(qū)動的基 本理論依據(jù)。不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移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(zhuǎn)被控制這是步進電機旋轉(zhuǎn)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 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。力矩: 電機一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量）當轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度 產(chǎn)生力F與（d/d 9 ）成正比其磁通量=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(zhuǎn)子直徑Br=N?l/RN?I為勵磁繞阻安匝數(shù)（電

8、流乘匝數(shù)） R為磁阻。力矩=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)）因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大, 反之亦然。三、步進電動機組成使用,控制步進電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如 下：3.1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0.3-0.4左右，電 機轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。3.2功率放大功率放大是驅(qū)動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的 動態(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(qū)動系

9、統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅(qū)動方式， 到目前為止，驅(qū)動方式一般有以下幾種：恒 壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動、恒流、細分數(shù)等。ITCP A1 FT1.1FREEDIRVCC GND'-iri說明：CP接CPU脈沖信號（負信號，低電平有效）OPTO接 CPU+5VFREE脫機，與CPU地線相接，驅(qū)動電源不工作DIR方向控制，與CPU地線相接，電機反轉(zhuǎn) VCC直流電源正端GND直流電源負端步進電機一經(jīng)定型，其性能取決于電機的驅(qū)動電源。 步進電機轉(zhuǎn)速越高，力距越 大則要求電機的電流越大，驅(qū)動電源的電壓越高。電壓對力矩影響如下：3.3細分驅(qū)動器在步進電機步距角不能滿足使用的

10、條件下，可采用細分驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機， 細分驅(qū)動器的原理是通過改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場的夾角 來控制步進電機運轉(zhuǎn)的。四、步進電機的應用4.1步進電機的選擇 步進電機有步距角（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，步進電機的型號便確定下來了。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。目前市場上步進電機的步距角一般有 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。靜力矩的選擇步進

11、電機的動態(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(jù)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。直接起動時（一般由低速）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的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度 便能確定下來（幾何尺寸）電流的選擇靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性 曲線圖，判斷電機的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓）綜上所述選擇電機一般應遵循以下步驟：負載f步距角f凈轉(zhuǎn)矩f電流f電機型 號力矩與功

12、率換算步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：P= Q ?MQ =2 n ?n/60P=2n 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)速，M為力 矩單位為牛頓？米P=2n fM/400（半步工作）其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS）4.2應用中的注意點1）步進電機應用于低速場合-每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（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）由于歷史原因，只有標稱

13、為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不 是驅(qū)動電壓伏值，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)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伏的電壓除12V恒壓驅(qū) 動外也可以采用其他驅(qū)動電源， 不過要考慮溫升。4）轉(zhuǎn)動慣量大的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的定位精度。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)的驅(qū)動器來解決， 也可以采用5相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說 法是外

14、行話。7）電機不應在振動區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解 決。8）電機在600PPS（0.9度）以下工作，應采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。9）應遵循先選電機后選驅(qū)動的原則。結(jié)束語:雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機， 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(qū)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、電子及計算機等許 多專業(yè)知識。主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，精度高，運行可靠。如采用位置檢 測和速度反饋，亦可實現(xiàn)閉環(huán)控制。如數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)控機床、計算機 外圍設備、自動記錄儀、鐘表等之中，另外在工業(yè)自動化生產(chǎn)線、印刷設 備等中亦有應用。目前，生產(chǎn)步進電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術人