步進(jìn)電機的工作原理及應(yīng)用

1、步金電機地工作原理及應(yīng)用2008年04月28日 星期一 17:19一、前言步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fù)載變化地影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn) 過一個步距角.這一線性關(guān)系地存在，加上步進(jìn)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(lǐng)域用步進(jìn)電機來控制變 地非常地簡單.雖然步進(jìn)電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)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(qū)動電路等 組成控制系統(tǒng)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、

2、電子及計算機等許多專業(yè)知識.目前，生產(chǎn)步進(jìn)電機地廠家地確不少，但具有專業(yè)技術(shù)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(shè) 備都沒有.僅僅處于一種盲目地仿制階段.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，我們決定以廣泛地感應(yīng)子式步進(jìn)電機為 例.敘述其基本工作原理.望能對廣大用戶在選型、使用、及整機改進(jìn)時 有所幫助.二、感應(yīng)子式步進(jìn)電機工作原理（一）反應(yīng)式步進(jìn)電機原理 因為反應(yīng)式步進(jìn)電機工作原理比較簡單.下面先敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電 機原理.1、結(jié)構(gòu):電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子齒軸線錯開0、1/3疋、

3、2/3 T,（相鄰兩轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子地展開圖：2、旋轉(zhuǎn)：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(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(yīng)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(yīng)與C對齊,此時轉(zhuǎn)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(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：電機地位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成對應(yīng)關(guān)系.而方向由導(dǎo)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(dǎo)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(xì)分驅(qū)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(zhuǎn)子齒軸線 偏移1/m,2/m（m-1）/m,1.并且導(dǎo)電按一定地相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制一一這是步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)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(jìn)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(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力F與（d/d ）成正比S其磁通量 =Br*SBr為磁密,S為導(dǎo)磁面積F與L*D*Br成正比L為鐵芯有效長度，D為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然（二）感應(yīng)子式步進(jìn)電機1、特點：感應(yīng)子式步進(jìn)電機與傳統(tǒng)地反應(yīng)式步進(jìn)電機相比,結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)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(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小 感應(yīng)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(qū)動），而 反應(yīng)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(nèi)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(yīng)子式步進(jìn)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(yīng)子 式步進(jìn)電機代號）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標(biāo)準(zhǔn)），而像70BYG、 90BYG、130BYG等均為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn).3、步進(jìn)電機地靜態(tài)

8、指標(biāo)術(shù)語相數(shù)：產(chǎn)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?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機轉(zhuǎn)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(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過地角位移用9表示.9 =360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩：電機在

9、不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸地鎖 定力矩.此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）地標(biāo)準(zhǔn) ，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動 電源等無關(guān).雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間地氣隙有關(guān)， 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(jìn)電機動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語：1、步距角精度：步進(jìn)電機每轉(zhuǎn)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(yīng)在5%之 內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi).2、失步:電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)地步數(shù)

10、，不等于理論上地步數(shù).稱之為失步.3、失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線地角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失 調(diào)角產(chǎn)生地誤差，采用細(xì)分驅(qū)動是不能解決地.4、最大空載起動頻率：電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)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(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負(fù)載地最高轉(zhuǎn) 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(fù)載地交點為負(fù)載地最大速度點要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流地電機7、電機地共振點：步進(jìn)電機均有固定地共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)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(qū)動電壓越高，電機電流越大，負(fù)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(yīng)偏移共

12、振區(qū)較多.8、電機正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機繞組通電時序為 AB-BC-CD-DA或（）時為正轉(zhuǎn)，通電時序為DA-CA-BC-AB或（）時為反轉(zhuǎn).三、驅(qū)動控制系統(tǒng)組成使用、控制步進(jìn)電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成地控制系統(tǒng)其方框圖如下：1、脈沖信號地產(chǎn)生脈沖信號一般由單片機或 CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號地占空比為左右，電機轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大.2、信號分配我廠生產(chǎn)地感應(yīng)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0.9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(qū)動系統(tǒng)最為重要地部分.步進(jìn)電機在一定轉(zhuǎn)速下地轉(zhuǎn) 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(dá)到平均電流大這就需要驅(qū)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(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(xì)分?jǐn)?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(jìn)電機 地驅(qū)動電源.我廠生產(chǎn)地SH系列二相恒流斬波驅(qū)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(fù)信

14、號，低電平有效）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(fù)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(lán)線步進(jìn)電機一經(jīng)定型，其性能取決于電機地驅(qū)動電源步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速 越高,力距越大則要求電機地電流越大，驅(qū)動電源地電壓越高電壓對力 矩影響如下：4、細(xì)分驅(qū)動器在步進(jìn)電機步距角不能滿足使用地條件下 ，可采用細(xì)分驅(qū)動器來驅(qū) 動步進(jìn)電機，細(xì)分驅(qū)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(jìn)電機運轉(zhuǎn)地 .四、步進(jìn)電機地應(yīng)用（一）步進(jìn)電機地選擇步進(jìn)電機有步距角

15、（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(jìn)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(fù)載精度地要求，將負(fù)載地最小分辨率（當(dāng)量） 換算到電機軸上，每個當(dāng)量電機應(yīng)走多少角度（包括減速）電機地步距角應(yīng)等于或小于此角度目前市場上步進(jìn)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(jìn)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(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦 負(fù)載二種.單一地慣性負(fù)載和單一地摩擦負(fù)載是不存在地 .直接起動時（一般由低

16、速）時二種負(fù)載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負(fù)載，恒 速運行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載.一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載地2-3倍 內(nèi)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(qū)動電源、及驅(qū)動電壓）綜上所述選擇電機一般應(yīng)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(nèi)調(diào)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(zhuǎn)

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(yīng)用中地注意點1、步進(jìn)電機應(yīng)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(jìn)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(biāo)稱為12V電壓地電機使用12V外,其他電 機地電壓值不是驅(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(dāng)然12伏地電壓除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)動慣量大地負(fù)載應(yīng)選擇大機座號電機5、電機在較高速或大慣量負(fù)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(yīng)通過機械減速、提高電機速度，或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)地 驅(qū)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(chǎn)廠