步进电机原理

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大，可通过驱动器细分技术解决．（绣框驱动）

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。（绣框 金片） 步进电机的一些基本参数：

步距角：表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为?电机固有步距角?，不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。相数： 是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。

保持转矩（HOLDINGTORQUE）：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。 步进电机的一些特点：

1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

2．步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 步进电机的静态指标术语:

相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。

拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.

步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。 步进电机动态指标及术语： 1、步距角精度：

步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数

其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。

2、失步：

电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 3、失调角：

转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

4、最大空载起动频率：

电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。 5、最大空载的运行频率：

电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 6、运行矩频特性：

电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图所示：

电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。 如下图所示：

其中，曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。

要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。

7、电机的共振点：

步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。 步进电机的工作原理

下面以永磁式步进电机说明工作原理：

它定子上有六个极,转子有四个极。定子磁极上绕有三组绕组,每组绕组由相互串联的两个线圈构成。一组绕组叫做一相。

因此,图1. 1所示的电机为三相步进电机。直流电源通过开关I、Ⅱ和Ⅲ,驱动电流流过绕在定子上的绕组。 状态(1) ,开关I闭合,A相通电。由于A相绕组受到激磁,空气隙里出现如箭头所示的磁场。A相上的两个定子磁极和两个转

子齿对准,转子处于平衡状态。若再闭合开关R激励B相,如状态(2)所示, B相的定子磁极以同样的方式产生磁场。在磁力线的张力作用下,产生逆时针方向的转矩。于是,转子沿逆时针方向转过一个固定的角度,到达状态(3) 。图中,转过的角度为15°。如果现在打开开关I,去掉A相的激磁,转子将再转15°,到达状态(4) 。因此,转子的角位置可以用这种开关方式进行控制。若开关以某种时序转换,则转子就能以步进运动的方式连续旋转;若进一步使时序转换的速度可调,则平均速度也能用这种开关方式进行控制。实际上,驱动步进电机的开关是晶体管,开关信号由数字集成电路或微机产生。通过前面的介绍可以看到,步进电机是一种把开关激励的变化变换成精确的转子位置增量运动的执行机构 。

步进电机的传动方式 ：三相单三拍工作方式 在这种工作方式下,A、B、C三相轮流通电,电流切换三次,磁场旋转一周,转子向前转过一个齿距角。因此这种通电方式叫做三单三拍工作方式。这时步距角θb (度)为 θb = 360 /mz ( °) (2-1)

式中:m──定子相数; z ──转子齿数

三相六拍工作方式 ：在这种工作方式下,首先A相通电,转子齿与A相定子齿对齐。第二拍,A相继续通电,同时接通B相,A、B各自建立的磁场形成一个合成磁场,这时转子齿既不对准A相也不对准B相,而是对准A、B两极轴线的角等分线,使转子齿相对于A相定子齿转过1 /6齿距,即1. 5°。第三拍,A相切断,仅B相保持接通。这时,由B相建立的磁场与单三拍时B相通电的情况一样。依次类推, 绕组以A—AB—B—BC—C—CA—A时序(或反时序)转换6次,磁场旋转一周,转子前进一个齿距,每次切换均使转子转动1. 5°, 故这种通电方式称为三相六柏工作方式。其步距角θb 为: θb = 360 /2mz = 180 /mz ( °) (2-2)

双三拍工作方式 ：种工作方式每次都是有两相导通,两相绕组处在相同电压之下,以AB─BC─CA─AB (或反之)方式通电,故称为双三拍工作方式。以这种方式通电,转子齿所处的位置相当于六拍控制方式中去掉单三拍后的三个位置。它的步距角计算公式与单三拍时的公式相同。

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