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1、一、前言/ 3 u4 F0 R l8 J! c0 o2 2 h5 R! z3 i3 T7 L. 7 “ z步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电 机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给 电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有 周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的 非常的简单。/ I z% i! k* Q虽然步进电机已被广泛地应用，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
2、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。 - Q; Y; 9 H. |5 T6 N“ ? R目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却 非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制 阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的 感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改 进时有所帮助。二、感应子式步进电机工作原理（一）反应式步进电机原理 z- z; U0 $ j! K由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面
3、先叙述三相反应式步进电机原理。1、结构：# e; Y# b d7 T- Z0 i) K电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴 线错开。0、1/3 、2/3 ,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示） ，即 A 与齿 1 相对齐，B 与齿 2 向右错开 1/3 ，C 与齿 3 向右错开 2/3 ，A与齿 5 相对齐， （A就是 A，齿 5 就是齿 1）) F5 V( / Y# ?3 Y$ q( o* c2、旋转：如 A 相通电，B，C 相不通电时，由于磁场作用，齿 1 与 A 对齐， （转子不受任何力以下均 同） 。如 B 相通电，A，C 相不通电时，齿
4、2 应与 B 对齐，此时转子向右移过 1/3 ，此时 齿 3 与 C 偏移为 1/3 ，齿 4 与 A 偏移（-1/3 ）=2/3 。如 C 相通电，A，B 相不通电， 齿 3 应与 C 对齐，此时转子又向右移过 1/3 ，此时齿 4 与 A 偏移为 1/3 对齐。如 A 相 通电，B，C 相不通电，齿 4 与 A 对齐，转子又向右移过 1/3 这样经过 A、B、C、A 分别 通电状态，齿 4（即齿 1 前一齿）移到 A 相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按 A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3 ,向右旋转。如按 A，C，B，A通电， 电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导
5、电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导 电顺序决定。# L8 p“ V$ K# Q l不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用 A-AB-B-BCC-CA-A 这 种导电状态，这样将原来每步 1/3 改变为 1/6 。甚至于通过二相电流不同的组合，使 其 1/3 变为 1/12 ，1/24 ，这就是电机细分驱动的基本理论依据。6 V+ C! M# k6 h; P; W不难推出：电机定子上有 m 相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移 1/m,2/m(m-1) /m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。 只要符合这一条件我们理论上可
6、以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场 上一般以二、三、四、五相为多。 1 l+ 1 : v+ N; 3 x3、力矩：电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量 ）当转子与定子错开一定角度产生力 F 与（d/d）成正比 S 其磁通量 =Br*S Br 为磁密，S 为导磁面积 F 与 L*D*Br 成正比 L 为 铁芯有效长度，D 为转子直径 Br=NI/R NI 为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R 为磁阻。+ d! T) , l$ J( s, B) M. P% O B b0 q# 4 力矩=力*半径“ |- s. q$ G! K# |力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线
7、性状态）因此，电机有效体积越大， 励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。% s$ w, l0 c5 M8 e3 i- F, g6 W( d4 O（二）感应子式步进电机( ! r0 w0 K B9 |2 T2 N1、特点：% r* D! Z- ?$ R9 A/ Z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。感应子式步进电机某种程
8、度上可以看作是低速同步电机。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。例如：四相， 八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为 C=,D=. 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大 一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线 （四相） ，这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。; _6 D; N! x* M+ j“ N+ P2、分类; l“ K; m. 8 l% z V感应子式
9、步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座 号（电机外径）可分为：42BYG(BYG 为感应子式步进电机代号） 、 57BYG、86BYG、110BYG、 （国际标准） ，而像 70BYG、90BYG、130BYG 等均为国内标准。8 w4 l/ , I. N/ S$ s/ 3、步进电机的静态指标术语! D i% D# e; 9 2 T) t) L( Q1 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
10、-CD-DA-AB，四相八拍运行 方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.! T9 K. p m# A: U d1 | c2 i! K/ r9 H步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 表示。=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 =360 度 /（50*4）=1.8 度（俗称整步） ，八拍运行时步距角为 =360 度/（50*8）=0.9 度（俗称半步） 。8 Y$ n; |6 O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）+ h s1 d: r- i F
11、虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙， 增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 |+ E) F3 f . S4、步进电机动态指标及术语：( a( 6 y8 H+ x b0 R# t * | r3 g/ * 2 S, g1、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：+ K: O7 t; G“ u; C# r“ r电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。5 | , q# X
12、2 F4 p; O: G. n: 3 Q _( r3、失调角：) W9 j/ j) k8 t9 C 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。, Y. Q: E3 w“ r% E: r7 B; V5 m! v. e 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。, t- r7 p: c1 ) |3 f8 R- E7 G* P5 a5、最大空载的运行频率：; N0 m9 j$ U0 9 4 J. d9 C. y o P: K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
13、高转速频率。 Y; _“ T8 R. r Y9 n- x- T8 X* J; c( t* ?) O6 g! _3 l6、运行矩频特性：5 ) w1 . - h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： 其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。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。 f/ K 4 p# U) r+ X+ ) m. 2 P) S, u5 f/ y4 J: 8
14、 Y+ Y- M, 6 S# o7 T4 E6 G. q; X4 I3 T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。0 w* 0 _7 t; N! l+ J( u6 ?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
15、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。 8、电机正反转控制： 当电机绕组通电时序为 AB-BC-CD-DA 或()时为正转，通电时序为 DA-CA-BC-AB 或()时为反转。3 H7 O+ V/ X* % F三、驱动控制系统组成4 m/ u, Q, p2 j! y 9 F使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：/ H: q8 p a5 R: J5 q2 z5 o- l C: s: / |1、脉冲信号的产生。脉冲信号一般由单片机或 CPU 产生，一般脉冲信号的占空比为 0.3-0.4 左右，电机转速越高， 占空比则越大。2、信号分配 M1 f)
16、 q: c“ j我厂生产的感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相 八拍二种，具体分配如下：二相四拍为,步距角为 1.8 度；二相八拍为,步距角为 0.9 度。四 相电机工作方式也有二种，四相四拍为 AB-BC-CD-DA-AB,步距角为 1.8 度；四相八拍为 AB- B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为 0.9 度） 。! x/ S# y8 q3 , x3、功率放大功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均 电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流） 。平均电流越大电机力矩越大，要达到 平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动 方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、 细分数等。“
