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1、步进电机资料整理1. 步进电机定义步进电机是工业生产过程控制，数字程序控制(数控机床)计算机外部设备，控制仪表等常用的控制部件。步进电机是一种将电脉冲转化为不连续的机械运动的机电装置。当施加适当的电脉冲指令时，电机转子的出轴或外转子将会以不连续的步进增量旋转。电机的旋转与施加的脉冲之间有几个方面的直接关系：首先所加脉冲的顺序直接决定着电机转轴旋转的方向；其次电机转轴旋转的速度取决于所加脉冲的频率，而旋转的角度或者圈数和所加的脉冲数成正比2. 步进电机结构分类 根据步进电机的原理和结构，基本可以分成下面两大类型：第一类：电磁型步进电机。这种步进电机是早期的步进电机，它通常只有一个绕阻，并且仅靠电
2、磁作用还不能使电机的转子做步进运行，必须加上相应的机械部件，才能产生步进的效果。它有螺旋型和棘型两种。第二类:定子和转子之间仅靠电磁作用就可以产生步进作用的步进电机。这种电机一般有多相绕组，在定子和转子之间没有机械联系。这种电机有良好的可靠性及速度性，工业应用上大量用于状态伺服元件、功率伺服元件、位置控制元件等。在第二类步进电机中，根据转子的结构形式，可以分成永磁性转子电机（PM）或反应式转子电机（VR） ，它们可以简称为永磁式步进电机或反应式步进电机。在永磁式步进电机中，它的转子是用永磁钢制成的，也有通过滑环供电的直流激磁绕组制成；无论如何，其转子有软材料制成齿状，转子的齿也称显极，在这种步
3、进电机的转子中没有绕组。 3. 步进电机的特点步进电机的优缺点总结如下。优点：1) 电机旋转的角度正比于脉冲数；2) 电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时） ；3) 由于每步的精度在 3%-5%，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；4) 优秀的启停和反转响应；5) 由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；6) 电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本较低；7) 仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转；8) 由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。缺点：1)
4、如果控制不当容易产生共振；2) 难以运转到较高的转速。步进电机是工业控制及仪器仪表中的主要控制元件之一。例如，在机械结构中，可以用丝杠把角度变换成直线位移，也可以用它带动螺旋电位器，调节电压和电流，从而实现对执行部件的控制，而在数字控制系统中，由于它可以直接接收微机送来的数字控制系信号，而不需要进行D/A转换，所以给控制应用系统的设计带来了很大方便。步进电机作为执行元件的一个显著特点就是快速启停能力。如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能在“一刹那”间使步进电机启动和停转。一般步进电机的步进速度为200步/s1000步/s，如果步进电机是以逐渐加速到最大值，然后再逐渐减速到零的方式工
5、作，其步进速度增加2倍4倍，而且仍然不会失掉一步。步进电机的另一显著特点是精度高。在没有齿轮滑动的情况下，步值（即每步所转动的角度）可以由每步90低到每步只有0.36，另一方面无论是变磁阻式步进电机还是永磁式步进电机，他们都能精确的返回到原来的位置，如一个24步（每步为15）的步进电机，当它正方向步进48步时，刚好转两转，如果再反向转48步，它仍将精确地回到原始的位置。正因为步进电机具有快速启停、精确步进以及直接接收数字信号的特点，因而使得步进电机在定位场合得到了广泛的应用。步进电机最有意义的一个优点就是在开环系统里可以实现精确的控制。开环控制意味着不需要关于（转子）位置方面的反馈信息。这种控
6、制避免了使用昂贵的传感器以及像光学编码器这样的反馈设备，因为只需要跟踪输入的步进脉冲就可以知道你（转子）的位置。但是为了保证运动精度所采取的最主要的方法就是仪器采用步进电机的闭环控制。闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出驱动的脉冲串。采用闭环控制，不仅可以获得更加精确的位置控制和高得多、平稳得多的转速，而且可以在步进电动机的许多其它领域内获得更大的通用性。4. 步进电机的原理步进电机的工作就是步进转动。在一般的步进电机工作中，其电源都是用单极性的直流电。要使步进电机执行步进转动，就必须对步进电机的各相绕组进行恰当的时序方式通电。步进电机是一种能够将电脉
7、冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。步进电机的步进过程可以用图 2 来说明。在定子中，每相的磁极都只有一个齿，即磁极本身；故而对三相磁极就有六个齿。在转子中，有四个齿，分别称为 0、1、2、3 齿。直流电源 u 通过开关 k 分别对步进电机的 A、B、C 相绕组轮流通电。现以反应式三相步进电机为例说明其工作原理，定子铁芯上有六个形状相同的大齿，相邻两个大齿之间的夹角为 60o。每个大齿上都套有一个线圈，径向相对的两个线圈串联起来成为一个绕组，各个大齿的内表面上又有若干个均匀分布的小齿。转子是一个圆柱形铁心，外表面上圆周方向均匀地布满了小齿。转子小齿的齿距是
8、和定子相同的。设计时应使转子齿数能被 2 整除，但某一项绕组通电，而转子可自由旋转时，该相两个大齿下的各个小齿将吸引相近的转子小齿，使电动机转动到转子小齿与该相定子小齿对齐的位置，而其他两相的各个大齿下的小齿必定和转子的小齿分别错开 1/3 的齿距，开成“齿错位” ，从而形成电磁引力使电动机连续地转动下去。图 2 步进电机的步进过程图下面分析其工作情况。初始状态时，开关 k 接通 A 相绕，则 A 相磁极和转子的 0、2 号齿对齐。同时，转子的 1、3 号齿和 B、C 相绕组形成错齿状态。当开关 K 从 A 相绕组拨向 B 相绕组后，由于 B 绕组和转子的 1、3 号齿之间的磁力线作用，使到转
9、子的 1、3 号齿和 B 相磁极对齐。则转子的 0、2 号齿据和 A、C 相绕组形成错齿状态。以后开关 k 从 B 相绕组拨向 C 相绕组，由于 C 相绕组和转子之间的磁力线的作用。使到转子 0、2 号齿和 C 相磁极对齐。这时转子的 1、3 号齿和 A、B 相绕组磁极产生错齿。当开关 k 从 C 相绕组拨向 A 相绕组后，由于 A 相绕组磁极和转子 1、3 号齿之间的磁力线的作用，令转子 1、3 号齿和 A 相绕组磁极对齐。这时转子的0、2 号齿和 B、C 相绕组磁极产生错齿。很明显，在这时转子的齿移动了一个齿距角。如果对一相绕组通电的操作称为一拍，那么对三相反应式步进电机的A、B、C 三相
10、轮流通电需要三拍对 ABC 三相轮流通电一次也成为一个周期。从上面分析看出，三相反应式步进电机转子转动一个齿距，需要三拍操作。由于按 A-B-C-A 相顺序轮流通电。则磁场沿 A、B、C 方向转动了 360 度空间角。而这时转子沿 A、B、C 方向转动了一个齿距位置。在图 2-2 中，转子的齿数为 4，故齿距角为 90 度，转动可一个齿距，也即转动了 90 度。对于一个步进电机，如果它的转子齿数为 N ，它的齿距角为：rrZ/2而步进电机运行 K 拍可使转子转动一个齿距位置。实际上步进电机每一拍就执行一次步进，所以步进电机的步距角可以表示为： KNrS*/2其中： 为步进电机工作拍数。从步进电
11、机的工作原理分析可知反应式步进电机要求：1.定子绕组磁极的分度角不能被齿距角整除，否则不能形成错齿，也就无法实现步进工作。2.定子绕组磁极的分度角被齿距角整除后所得的余数，应是步距角或步距角的倍数，且倍数值和相数不能有公因子。否则，步进电机无法实现对齿，就无法处于平衡稳定状态。对于反应式步进电机，在其绕组中通电的相序不同时，步进电机的旋转方向和步进精度有所不同。并且步进电机对绕组的通电频率也有一定的要求。如果通电频率过高，超过步进电机的最大步进速度，就会产生失步。一般不计代价的通电频率即启动频率为 50 步/秒到 2000 步/秒。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由（单片机）产生。
12、其基本原理作用如下：(1)控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：混合式步进电机的工作方式，其各相通电顺序为 A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制 A,B,C，D 相的通断，这就是所谓脉冲环形分配器。(2)控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。(3)控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。5. 步进电机的一些基本参数电 机 固 有 步 距 角它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
13、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。 步 进 电 机 的 相 数它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
14、可以改变步距角。 保 持 转 矩 （ HOLDING TORQUE）它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。 启 动 转 矩 （ DETENT TORQUE）它是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式
15、步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有启动转矩（DETENT TORQUE） 。6. 步进电机的选型步进电机的选型主要依据是最大静转矩、启动矩频特性和运动矩频特性，其次还要考虑初选的步距角和分配方式。为了满足启动要求，一方面，在保证最大静转矩的要求下，可选择空载启动频率高、启动力矩大的步进电机型号；另一方面，可以进一步对步进电机采取升降速控制，即在启动时先降低启动频率，增大启动力矩，并逐渐升速，以保证不会失步。升速到所需频率后，再开始恒速运行。相反，在达到终点前，要逐步降速，以防止因为运动部件的惯性而不能准确定位，升降速控制可以用软件来控制实现（即不断改变脉冲的时间间隔来达到升降速的目的） 。
16、此外还可以采用高低压驱动功放电路，使步进电机启动力矩再扩大一倍左右。7. 基于 ARM 的步进电机控制目前国内工业控制场合中用的嵌入式工控设备大多采用的是以8 位单片机(如MCS-51) 为内核， 有价格低廉、设计较容易、能达到一般要求的优点， 但也存在着存储容量小、 独立工作时功能较弱、较强功能要与PC联机才能实现、实时性能不强、人机交互复杂、操作不方便等问题。如选用功能强大的32 位嵌入式微处理器ARM来代替8位单片机， 再把控制板与电源、步进电机和被控设备集成于一体， 将形成嵌入式一体化工业控制机。ARM对步进电机控制有高的实时性、可靠性； 能满足人机界面友好、开发环境友善、可操作性高、成本低等特别要求。在步进电机控制系统中， 在工件需做往返运动或需要精确定位等场合， 将会使这种嵌入式系统得到广泛应用。初步设计采用 ARM7 微控制器LPC213x 为核心处理器，步进电机选用42BYG 型两相混合式步进电机。其特点是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
