步进马达基本原理

《步进马达基本原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《步进马达基本原理（83页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、步进马达基本原理步进马达基本原理 前言：本小册主要介绍步进马达的基本原理，应用及相关领域的基础知识，全部为英文翻译本，部分资料来源为国际互联网，尤其适用于马达技术相关技术人员，管理人员学习，希望它能有助于你更快地了解有关步进马达的原理，欢迎提出补充改正意见。 第一章：步进马达的基本概念第一章：步进马达的基本概念 -电磁学基础指南及其在步进马达中的应用电磁学基础指南及其在步进马达中的应用 第一节第一节 绪论绪论 要学习步进马达的知识，首先要对电磁学的原理有正确的认识， 从这些内容当中你将了解到直流马达及发电机是如何工作的，如果 你对这些基本概念十分熟悉，你也可以跳过这些章节，直接学习马 达理论。

2、 在以下的介绍中，你将很容易地通过书中的插图了解一些抽象的 概念。本章中包括以下的内容： 1， 基本电学 2， 磁铁原理 3， 电磁学原理 4， 直流马达原理 5， 电磁继电器原理 6， 直流发电机原理 7， 控制原理 8， 步进马达的基本原理第一部分（完全步进） 9， 步进马达的基本原理第二部分（半步进） 10， 步进马达的基本原理第三部分（实用马达） 11， 直流马达的电子控制 12， 步进马达的电子控制 13， 第二节 第二节 电学基础电学基础 在学习本节之前，你需要一些电子流动方面的知识，例如，电压的概念就 象闭环中电子即将流动的趋势， 一旦开始流动， 则阻止其流动 （有电阻存在） ，

3、 科学家欧姆发现了电学的基本原理：一段通电的导线的电流： 正比于电压：当加上两倍的电压时，将有两倍的电流通过，一半 的电压时，将通过一半的电流； 反比于电阻：当有两倍的电阻时，电流减半，一半的电阻时，电 流加倍； 也就是说：电流 正比于电压，反比于电阻 即： I=E/R （E 表示电压，R 表示电阻） 最简单的比较就象管道里流动的水，可以具体地想象出，水的流量变化取 决于水压， 水压高时流量大， 水压低时流量小， 这与电压与电流的关系相同； 同时，水管的尺寸小时，产生的阻力就大，流量便减小，水管的尺寸大时， 产生的阻力就小，流量便增加。这与电阻变化时电流的增减相同. 闭环闭环 闭环是这样一个电

4、子结构：电子（电流的成分）从电源正极出发，通过连 续的电阻，最后回到电源负极。当你打开电灯时，你会看见直到开关闭合， 电子接触闭环建立后，灯泡才开始发光（其他事情也是一样，如蓄电池，好 的灯泡，在能正常工作时中间不会存在断路等。 ） 1 第三节第三节 磁铁原理磁铁原理 磁铁之所以有磁性认为与一种肉眼看不见但可以测量到的磁力线有关（如 图 1-1 所示） 这些磁力线从磁体两端辐射开来，两个端点称为极，一个是北极，另一个 是南极。磁场的强度取决于磁铁的强度。 这些磁力线在磁性材料中流动较在空气中要顺利得多（见图 1-2） 当把两个磁铁靠近时，有趣的事情发生了（如图 1-3） ： 图 1-3A：异极

5、靠近互相吸引 图 1-3B：同极靠近互相排斥 相异的磁极（如南极和北极）互相吸引，相同的磁极（如两个南极或两个 北极）相互排斥，靠得越近，相互间的吸引力（如异极）或排斥力（如同极） 越大。 为什么会这样呢？原来磁铁同极靠近时磁力线相互干扰（从而产生相互之2 间的排斥力） ， 而异极靠近时磁力线相互增强 （从而产生相互之间的吸引力） ， 它们趋向于形成一个大磁铁。 条形磁铁可以弯曲成马蹄形，这种情况下两极之间的磁力线很集中。 （如 图 1-4 所示） 图 1-4 第四节 电磁学原理第四节 电磁学原理 当一段导线中有电流通过时，导线的周围便产生了环形磁场（如图 1-5） 环形 磁场 图 1-5 环

6、形磁场的方向与电流方向有关，而电流方向依赖于所提供电源的极性（如 图 6 所示） 上图 1-6 直观地表示这一物理现象，有助于更好地理解这个抽象概念。 从这里可以看出，当电流方向远离你时（假设你在面对导线的方向上） ，你 将看到一个环形磁场并在导线周围成逆时针方向，反之，当电流方向朝向你 时（表示为一个点） ，导线周围的磁力线将变为顺时针方向。 这些图画用于解释一些基本理论的教育图案。如果你需要更深入地理解有3 关电磁学理论的抽象的物理概念，你可以深入探索前面的章节。 但是就我们对电磁学的基本理解已经足够（如上图所示） 。如果一根导线中 有电流通过，那么将产生环形磁场。当我们把它放在两个不同的

7、磁极之间时 （比如放在马蹄形磁铁的空隙中时） ，一个类似马达的动作将会发生：导线 将向里偏移，方向是趋向于离开磁场的方向（如图 1-7） ： 这个偏移力的大小取决于导线周围马蹄形磁铁空间中磁场强度（越靠近中 心，力量越大） ，以及导线周围产生的环形磁场的大小。 为什么会这样呢？原来磁场方向在外部与导线产生磁力线方向相同，相应的 在环形磁场里侧方向与导线周围磁力线方向相异，这样对导线便产生了向上 的推力（如图 9 所示） 。 环形磁场的强度可以通过以下方式来增加： A：增加导线中的电流：可通过增加电压或减少导线的电阻来实现（更换为 另一种形式的导线或较大的尺寸规格） B：增加相互靠近的同电流方向

8、的导线的数量（如图 1-8 所示） 。 4 产生的偏移力的方向取决于磁场的磁力线的方向，以及导线周围磁力线的 方向（如前所述取决于电流的方向） （如图 1-10，1-11 所示） 图 1-10 图 1-11 需要注意的是虽然偏移力的方向会随磁铁的极性方向而改变，但是如果磁 极与电流方向同时改变，那么偏移力方向不会改变（如图 1-9，1-10） 如果一段导线趋向于远离磁铁，这时候电流方向与磁场强度的方向同时改 变，那么导线仍将趋向于远离磁场；但是如果仅仅一个参数发生改变时，偏 移力将趋于靠近磁场。 一个简单的电磁铁一个简单的电磁铁 我们可以在 50 毫米的吸管周围缠绕 30 圈质量较好的漆包线制

9、作成一个电磁 铁（如图 1-12 所示） 我们在导线的末端附加一个 1.5V 的电池(确保先剥去外表绝缘层),注意要 使它看起来象一个电磁铁(如用纸夹住等),并用另一个磁铁靠近它,注意看在 以下几种情况下有什么现象发生: 5 增加电压(连接两个或更多的电池,小心不要触电或起火); 把连接电池的两极调换; 在吸管的中心放一个铁钉; 我们可以这样简单地制作一个电磁铁。 如果你打开一个旧门铃，一会儿是叮（当你按下按钮时） ，一会儿是咚（当 你放开按钮时） 。你可以发现电磁学在现实生活中的具体应用。 收音机和高音喇叭是同样的工作原理。在这种情况下，线圈中间不是直流 电，而是我们常见的经过加工的音频信号

10、。线圈缠绕在扬声器的锥体上，当 运动时，锥体运动引起周围空气的波动，于是就产生了声音。 如果你把你的手放在大扬声器 100 毫米的地方或者更近，用 1.5V 的电源 把扬声器连接起来，你将会发现锥体移动时的砰然的响声。改变电池的方向 时你会发现锥体的移动也改变为另一个方向。 我们可以想象门铃的响声是因为闭合开关引起线圈中电流的流动而使开 关打开，而放开按钮将使线圈中的电流中断而使开关断开。 这样的开关可以控制比自身线圈中更多的电流。 以上所述其实就是继电器。 这样我们就可以通过当前的小的电流或电压或是简单的仍是受控的开关 装置，去控制高电流或开关更高的电压。你可以通过一个只有 5V 电压制作

11、的晶体管去启动一个重大任务的主控电动机或其它装置。 通常，为安全起见，你需要同主电源之间用木板绝缘以免触电或产生潜 在的火灾（因电压或电流大） ，而继电器则正好能达到这个目的。 第五节 第五节 直流马达直流马达 如果你把一组导回路放在条形磁铁的磁场中间 （如图 1-14 所示） ， 并且提供 电流时，你将发现一个马达的动作，这时导线回路将发生转动。 6 这样的结果仅仅在回路放在临近磁力线的地方才会发生（图 1-15） 。 你可以看到在右手边，回路下端磁力线相互增强而在上面磁力线相互减 弱，这样将导致导线上升；而在左手边则正好相反（上面磁场增强，下面磁 场减弱） 。这样左右共同作用，将使导线回路

12、绕着中心转过某一个角度。 与这个相反的另一个例子：在各自的磁场中间没有马达的动作，因为导线 回路不能转动（导线运动方向趋向相互远离） （如图 1-16） 上面就是直流马达的基础部分，此外我们还需要给它附加一些部件以使它 可以正常工作。 从以上例子可以看出，要使导线环自由旋转，需要在旋转 180后开关 导线中的电流，在这里，我们是通过一个简单的刷状机械装置来实现的。 这样，当环路转动到垂直的位置时，你会发现线圈的末端离开了开关的 连接。在惯性作用下， 回路继续转动直到回路的另一端到达右边触点,原来的 回路使左手边碳刷接触。如果你通过实验来验证这个概念时，你会发现电流 会使导线回路转动 180后再

13、次和碳刷接触，使旋转得以继续。 旋转的方向由以下因素决定： 1，电源的极性； 2，永久磁铁磁场的方向。 改变其中任何一个将会使转动方向相反，但是如果两个都变为反 方向则转动方向不变。 实际的马达转子是由若干组线圈组成的。 每组都由一些在单独的回路上7 8 缠绕多次的线圈组成（如图 1-18） 。许多的组件使得动力传递更加平稳，就 象单缸发动机和多缸发动机（如 8 缸或 12 缸等）一样。 在每一组线圈末端的连接装置称为换向器。 第六节 第六节 传感器传感器 当一组线圈回路在磁场中移动时，回路中将产生电流，当然回路需要连续 移动否则电流将不能持续。 所产生的电流强度大小取决于： 1， 磁场的强度

14、； 2， 移动的速度； 这种情况可以看作是与以前描述的马达动作相似的现象，但是前面是带电 流的线圈回路可以在磁场中转动，而现在是线圈回路在磁场中移动可以产生 电流，两者是一种相反的情况。 此外还有一个主要的不同之处。我们在一个马蹄形磁铁的磁场中间放入若 干组线圈回路（如图 1-20 左侧）我们可以看到，如果提供电压使线圈顺时针 转动，在电流表中测量到正向电流，如果我们移开电源并且闭合回路（如图 1-20 右侧） 这时候顺时针转动回路， 在电流表上得到 （与线圈同样方向旋转） 相反的电流。这正是电磁学的另一个分枝，相关内容在别的部分介绍。 NN 我们可以通过把以上线圈回路中的两端作为一个输入控制

15、来制作一个传 感器。如果磁铁可以使移动的线圈产生电流那么它就可以作成一个用于输入 控制的传感器。 注意输入的存在需要磁铁不停的移动，它与线圈回路或磁铁那一个移动关 系不大，但是习惯上通常移动磁铁。 产生感生电压的大小取决于： 1， 磁场强度的大小； 2， 磁铁和线圈的相对移动速度； 3， 磁铁和线圈的距离； 4， 线圈绕组的数量； 5， 线圈中间的导磁性材料 （改变磁场强度的集中度， 如软铁或其它等） 。 第七节 第七节 直流发电机直流发电机 用外力使磁铁和线圈之间相互运动可以产生电压是直流发电机的基本原 理。直流发电机的基本结构与直流马达相似，直流发电机所产生的电压的大 小受以下因素控制： 1，转子的转动速度； 9 10 2，每一段转子上线路的圈数； 3，转子周围的段数或准备的转子线路的圈数。 - 第八节 第八节 直流马达的基本控制直流马达的基本控制 直流马达可以用在许多的工作中间如决定自动机械装置的位置等，但它们 有一个主要的缺点。 当计算机需要装置移动到一个特定的位置，它需要复杂的外部电路用于计 算机参数中间的装置的位置，或其它转动的属性如速度、加速度/减速度等。 图 1-21 表示了一个控制过程的模型。 第一副图描述了开环的控制过程， 目 标被移动并且无信息反馈指明发生了什么，具体情况例如，一定质量的水温 上升是通过在设定的