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1、浅析步进电机 邸维汉目录1、 引言2、 步进电机的分类、构造及特点3、 步进电机的工作原理4、 步进电机的技术指标5、 步进驱动器简述6、 步进驱动器控制原理7、 步进电机的驱动1) PLC控制步进电机2) 单片机控制步进电机8、 步进电机的选型9、 有关失步的处理方法10、 步进电机的常见故障及处理方法11、 步进电机的应用12、 步进电机的发展方向13、 参考文献1、 引言 步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，
2、但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 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
3、；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。一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。2、 步进电机的分类、构造及特点1） 步进电机的分类按照励磁方式分类：1. 反应式步进电机（VR）。2. 永磁式步进电机（PM）。3. 混合式步进电机（HB）。按输出力矩大小：1. 伺服式2. 功率式按定子数分：1. 单定子式2. 双定子式3. 三定子式4. 多定子式步进电机的构造按照励磁方式分类，步进电机可分为永磁式、反应式和混合式永磁式步进电机：一般为两相，输出力
4、矩大，动态性能好，但步距角大，步进角一般为7.5度 或15度； 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。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。 混合式步进电动机：它综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。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。这种步进电机的应用最为广泛。下面分别介绍各自的结构：永磁式步进
5、电动机：转子或定子任何一方具有永磁材料的步进电动机叫永磁式步进电动机，其不具有永磁材料的一方放有励磁绕组，绕组通以励磁电流后，建立的磁场与永磁材料的恒定磁场相互作用产生电磁转矩。励磁绕组一般为二相或四相.A、B二相控制绕组当按AB（-A）（-B）A.顺序通电励磁，转子将顺时针方向转动，此时步距角为45，改变通电相序就可以改变转动方向。永磁步进电动机的特点是：步距角大，例如15、22.5、45、90等。相数大多为二相或四相。启动频率较低。控制功率小，驱动器电压一般为12V或24V,电流濒于2A。断电时具有一定的保持转矩。如下图，为永磁式步进电机内部结构。磁阻式步进电动机也叫反应式（BF）步进电动
6、机，其实、转子均由软磁材料冲制、叠压而成。定子上安装多相励磁绕组。转子上无任何绕组，转子圆周外表面均匀分布若干齿和槽。定子上均匀分布若干个大磁极，每个大磁极上有数个小齿和槽。其磁路结构为单段式径向磁路。此外还有多段式径向磁路和多段式轴向磁路结构。磁阻式步进电动机相数一般为三相、四相、五相、六相。多段式径向磁路的磁阻式步进电动机是由单段式演变而来的。各相励磁绕组沿轴向分段布置，每段之间的定子齿在径向互相错开1m齿距（m为相数），与单段式相比其电感小，转动惯量小，动态性能指标高。但电机的风度差，制造工艺复杂。多段式轴向磁路的步进电动机的励磁绕组为环形绕组，绕组制造和安装都很方便。定子冲片为内齿状的
7、环形冲片，定子齿数和转子齿数相等。每段之间定子齿在径向依次错开1m齿距（m为相数）齿距，转子齿不错位。后两种结构和其他型式的磁阻式步进电动机目前都已很少采用。不论哪一咱磁阻式步进电动机，它们的共同特点是： 定转子间气隙小，一般为0.030.07mm 步距角小，最小可做到10。 励磁电流大，最高20A。 断电时没有定位转矩。 电机内阻尼较小，单步运行振荡时间较长。 步距角大，例如15、22.5、45、90等。 相数大多为二相或四相。 启动频率较低。 控制功率小，驱动器电压一般为12V或24V,电流濒于2A。断电时具有一定的保持转矩。如下图为，反应式步进电机内部结构。感应子式步进电机也叫混合式步进
8、电机：它与反应式步进电动机没有任何区别，只是每极下同时绕有二相绕组或者绕一相绕组用桥式电路按正负脉冲供电。转子上有一个圆柱形磁钢，沿轴向充磁，两端分别放置由软磁材料制成有齿的导磁体并沿圆周方向错开半个齿距。当某相绕组通以励磁电流后，就会使一端的磁极下的磁通增强而使另一端减弱，异性磁极的情况也是同样的，一端增强而一端减弱。改变励磁绕组通电的相序，产生合成转矩可以使转子转过14齿距达到稳定平衡位置。这种步进电动机不仅具有磁阻式步进电动机步距小，运行频率高的特点，还具有永磁步进电动机消耗功率小的优点，是目前发展较快的一种步进电动机。感应子式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以供软磁材料的工作
9、点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。感应子式某种程度上可以看作是低速同步的电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。如下图为混合式步进电机内部结构。3、 步进电机的工作原理电机定子有四个励磁绕阻，转子均匀分布着很多小齿，并加有永磁体使转子轴向分布若干对N-S齿极，且N、S齿极互相错开1/2(为相邻两转子齿轴线间的距离，即齿距)。定转子齿几何轴线依次向左错开：0、1/4、
10、2/4、3/4。以下为四相电机定、转子展开后的工作原理图（见图1）。 2、四相电机旋转： 以四相单四拍即ABCDA通电方式，转子不受外力为例。 第一拍：当A相通正向电流（如图示电流方向），B、C、D相不通电时，有工作原理图可看出，定子A极产生S极磁场，由于磁场作用，转子N1齿将与定子A极轴线与相对齐，而N2齿与B极，N3齿与C极，N4齿与D极，N5齿与A极的轴线以次向右错开1/4, 2/4, 3/4,1。（如图1） 第二拍：当B相通正向电流，A、C、D相不通电时，N2齿将于B极轴线相对齐，此时转子向右转过1/4，而N3齿与C极，N4齿与D极，N5齿与A极轴线以次向右错开1/4, 2/4, 3/
11、4。 同理，第三拍C相通正向电流，转子又向右转过1/4。第四拍D相通正向电流，D与N4相对齐，转子再次向右转过1/4,N5齿与A极轴线向右错开1/4。 当再到A相通正向电流时，N5齿与A极轴线相对齐，至此转子转过一个齿距，如果不断地按A-B-C-D-A通电，电机就按每步（每脉冲）1/4向右连续旋转。如按A-D-C-B-A通电，电机则反转。 如果通的不是正向电流而是反向电流，定子产生的不是S极而是N极，每相通电时对应的S齿与其轴线向对齐，旋转的方向不变。 3、二相电机旋转： 不难发现：当A通正向电流时N1齿与A极轴线相对齐，S3齿与C极轴线向对齐，与C相通反相电流的效果一样。A相通反向电流和C相
12、通正向电流的效果一样。同样B相和D相的关系与A和C的关系一样。 在A相通正向电流时同时在C相通反向电流，在C相通正向电流时同时在A相通反相电流，在通B、D相电流时也一样。这样的通电方式显然比四相单四拍通电时励磁绕组的利用率高，电机产生的力矩大。用A表示A相通正相电流，表示A相通反向电流，B表示B相通正向电流，表示B相通反向电流。四相单四拍ABCDA通电方式就可以用ABA单四拍的通电方式。这种只有A，B二种励磁绕组通电方式称二相驱动，这样的电机称二相电机。 感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点
13、的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 4、 步进电机的技术指标1） 步进电机的静态指标a) 相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、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 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 b) 步距角：它表示控制
14、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”，它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。c) 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指电机转过一个步距角所需脉冲数，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。d) 定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。 e
15、) 保持转矩：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2Nm的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2Nm的步进电机。 2） 步进电机的动态指标a) 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。b) 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。c) 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，
