步进电机原理

步进电机结构和工作原理步进电机结构和工作原理 步进电机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电机。步进电机的最大特点是其“数字性”，对于微 电脑发过来的每一个脉冲信号，步进电机在其驱动器的推动下运转一个固定角度（简称一步），如下图所 示。如接收到一串脉冲步进电机将连续运转一段相应距离。同时您可通过控制脉冲频率，直接对电机转速 进行控制。由于步进电机工作原理易学易用，成本低（相对于伺服）、电机和驱动器不易损坏，非常适合 于微电脑和单片机控制， 因此近年来在各行各业的控制设备中获得了越来越广泛的应用.本文将向用户简述 步进电机的基本结构和工作原理， 举例说明步进电机驱动器的工作原理， 直线步进电机的结构和工作原理。 步进电机的种类和特点步进电机的种类和特点 步进电机在构造上有三种主要类型： 反应式 （Variable Reluctance， VR） 、 永磁式 （Permanent Magnet,PM） 和混合式(Hybrid Stepping,HS)。 反应式：反应式： 定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达 1.2°、但动态性能差、效率 低、发热大，可靠性难保证。 永磁式：永磁式： 永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩 大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为 7.5°或 15°）。 混合式：混合式： 混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子 上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步矩角小，但结构复杂、成本相对 较高。 按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占 97% 以上的 市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步矩角为1.8°/步，配上半 步驱动器后，步矩角减少为 0.9°，配上细分驱动器后其步矩角可细分达 256 倍（0.007°）。由于摩擦力 和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。 1. 基本结构： 2. 工作原理： 简单的讲，步进电机驱动器根据外来的脉冲，通过其内部的逻辑电路控制步进电机的绕组按一定的次序正 反通电，从而实现其运转。以两相 1.8 度，步进电机为例， 其主要分为 4 线（双极性），6 线（单极性）两种方式： 线（双极性）电机，当其绕组的通电方向顺序按照 AC-BD-CA-DB 四个状态周而复始进行变化，每变化 一次，电机运转一步,即 1.8 度。 6 线（单极性）电机，当其绕组的通电方向顺序按照OA-OB-OC-OD 四个状态周而复始进行变化，每变化 一次，电机运转一步,即 1.8 度。 以上仅仅是一个原理性的介绍，实际的运行中会有很多复杂的情况产生，其相应的控制方式也有很多 种，如果需要特殊的帮助，可以和上海运控公司联系。 步进电机的基本原理步进电机的基本原理 电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运 动。每个脉冲所产生的运动是精确的，并可重复，这就是为什么步 进电机在定位应用中如此有效的原因。 图 2 显示 了一 个两 两相 磁场 置。 针旋 被通 再次 相通 使转 相电机的典型的步进顺序。 在第 1 步中， 定子中的 A 相被通电，因异性相吸，其 将转子固定在图示位 当 A 相关闭、B 相被通电时，转子顺时 转 90°。在第 3 步中，B 相关闭、A 相 电，但极性与第 1 步相反，这促使转子 旋转 90°。在第 4 步中，A 相关闭、B 电，极性与第 2 步相反。重复该顺序促 子按 90°的步距角顺时针旋转。 图 2 中显示的步进顺序称为“单相通电”步进。更常用的步进方法是“双相通电”，即电机的两相一直通 电。但是，一次只能转换一相的极性，见图 3 所示。两相步进时，转子与定子两相之间的轴线处对直。由 于两相一直通电，本方法比“单相通电”步进多提供了 41.1%的力矩，但输入功率为 2 倍。 半步步进半步步进 电机也可以转换相位之间插入一个关闭状态而走“半步”。这将步进电机的整个步距角一分为二。例如， 一个 90°的步进电机将每半步移动 45°，见图 4。但是，与“两相通电”相比，半步进通常导致 15%-30% 的力矩损失（取决于步进速率）。在每交换半步的过程中，由于其中一个绕组没有通电，所以作用在转子 上的电磁力要小，造成了力矩的净损失。 双极性绕组双极性绕组 二相通电步进顺利利用了一种“双极性线圈绕组”的方法，每极只有一个绕组，通过改变绕组中的电流方 向，从而改变相应极上的电磁极性，典型的两相双极驱动的输出步骤在电器原理图和下面图 5 中的步进顺 序中有进一步阐述。 双极性步进 1 2 3 4 Q2-Q3 ON OFF OFF ON Q1-Q4 OFF ON ON OFF Q6-Q7 ON ON OFF OFF Q5-Q8 OFF OFF ON ON 1ONOFFONOFF 单极性绕组单极性绕组 另一常用绕组是单极性绕组，每个电极上饶有两个绕组，当一个绕组通电时，产生被磁场，另一个绕组通 电则产生南磁场，因为从驱动器到线圈的电流不会反向，所以可称为单极性绕组。该方法下电机的步进顺 序见图 6 所示。通过这种设计使得电子驱动器简单化，但是与双极性绕组相比，其力矩大约小 30%，因为 磁线圈仅被利用了一半。 单极性步进Q1 ON OFF Q2 OFF ON Q3 ON ON Q4 OFF OFF 1 2 3 4 OFF ON ON OFF OFF OFF ON ON 1ONOFFONOFF 精度精度 混合式式步进电机精确度达 3-5%每步，且不累积。一个 1.2 度的步进电机每步的误差会少于 0.06 度，而 且不管走了多少步，这个误差是不会累积的。 力矩力矩 一个特定的旋转步进电机所产生的力矩是下述参数的函数 • 步进速度 • 通过绕组的电流大小 • 所使用的驱动器的类型 (直线电机所产生的力也取决于这些因素) 力矩是摩擦力矩(Tf)和惯性力矩(Ti)之和 摩擦力矩（oz-in 或 g-cm）为要求移动一个载荷的力（单位为 oz 或 g）乘以用于驱动载荷的力臂（r）长 度（单位为 in 或 cm）(见图 8 所示)。 惯性力矩(Ti)是用于加速负载（单位为：g-cm2）而需要的力矩 其中: I=转动惯量，单位: g-cm2 w=步进速率，单位：步数/秒 t=时间，单位：秒 θ=步距角度，单位：度 常数：93.73 应该注意到的是，当电机的步进频率增加时，电机的反向电动势（EMF）也增加，限制了电流的增大，并 导致可使用的输出力矩的减少。 步进电机驱动器的工作原理步进电机驱动器的工作原理 步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁 差分器、或角位移发生器等。 有时从一些旧设备上拆下的步进电机(这种电机一般没有损坏)要改作它用，一般需自己设计驱动器。 本文介绍的就是为从一日本产旧式打印机上拆下的步进电机而设计的驱动器。本文先介绍该步进电机的工 作原理，然后介绍了其驱动器的软、硬件设计。 1. 步进电机的工作原理 该步