步進(jìn)電機原理及使用說明

發(fā)布日期：2017-12-11

步進(jìn)電機原理及使用說明

一、前言

步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，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)系的存在，加上步進(jìn)電機只有周期性的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)電機來控制變的非常的簡單。

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(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業(yè)知識。

目前,生產(chǎn)步進(jìn)電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(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)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。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，我們決定以廣泛的感應(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

由于反應(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て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線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1/3て，C與齒3向右錯開2/3て，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：

2、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(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3て，此時齒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對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。

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て

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て,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(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(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て改變?yōu)?/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機細(xì)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(dǎo)電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進(jìn)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(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Ф）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力

F與（dФ/dθ）成正比

其磁通量Ф=Br*S

Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積

F與L*D*Br成正比

L為鐵芯有效長度，D為轉(zhuǎn)子直徑

Br=N·I/R

N·I為勵磁繞阻安匝數(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。

（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)的反應(yīng)式步進(jìn)電機相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，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(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-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= .

一個二相電機的內(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，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(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)電機的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語

相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(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)過的角位移用θ表示。θ=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θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。

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

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)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標(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)子間的氣隙有關(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的，這樣會造成電機的發(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)過一個步距角的實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(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)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，電機運轉(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)動是不能解決的。

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)載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。

5、最大空載的運行頻率：

電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負(fù)載的最高轉(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)系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(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，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（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)載的交點為負(fù)載的最大速度點。

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的電機。

7、電機的共振點：

步進(jìn)電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機的共振區(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)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(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，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，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0.3-0.4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)的感應(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1.8度；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-DA,(步距角為0.9度）。

3、功率放大

功率放大是驅(qū)動系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)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(dá)到平均電流大這就需要驅(qū)動系統(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(xì)分?jǐn)?shù)等。

為盡量提高電機的動態(tài)性能，將信號分配、功率放大組成步進(jìn)電機的驅(qū)動電源。我廠生產(chǎn)的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：

CP 接CPU脈沖信號（負(fù)信號，低電平有效）

OPTO 接CPU+5V

FREE 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，其性能取決于電機的驅(qū)動電源。步進(jìn)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：

4、細(xì)分驅(qū)動器

在步進(jìn)電機步距角不能滿足使用的條件下，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(jìn)電機運轉(zhuǎn)的。

四、步進(jìn)電機的應(yīng)用

（一）步進(jìn)電機的選擇

步進(jìn)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(jìn)電機的型號便確定下來了。

1、步距角的選擇

電機的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（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）。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)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。

2、靜力矩的選擇

步進(jìn)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(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動時（一般由低速）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）

3、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(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、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，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(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)（簡稱PPS)

(二）、應(yīng)用中的注意點

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、由于歷史原因，只有標(biāo)稱為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(dāng)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(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的定位精度。

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)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行話。

7、電機不應(yīng)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(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。

9、應(yīng)遵循先選電機后選驅(qū)動的原則。

五、其他說明

有關(guān)低頻振動、升降速、機械共振、工作往復(fù)運動的誤差、平面圓弧X、Y插補誤差以及其他問題。具體解決辦法恕不便在此敘述，我廠用戶可來電咨詢，可根據(jù)具體情況解決。

不同廠家的電機在設(shè)計、使用材料及加工工藝方面差別很大，選用步進(jìn)電機應(yīng)注重可靠性而輕性能、重品質(zhì)而輕價格。

最好采用同一生產(chǎn)廠家的控制器、驅(qū)動器和電機。這樣便于最終客戶的維護(hù)。

咨詢電話：010-51299688

北京歐特機電有限公司