步进电动机的工作原理及驱动方法

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1、步进电动机的工作原理及驱动方法步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件步进电动机的输入 量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常运动情况下，它每转一周具有 固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受 电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接受数字量的控制，所以特别适宜采用 微机进行控制。1. 步进电动机的种类目前常用的有三种步进电动机反应式步进电动机(VR)。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。(2) 永磁式步进电动机(PM)。永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大。(3) 混合式

2、步进电动机(HB)。混合式步进电动机综合了反应式、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，是目前性能最高步进电动机。它有时也称 作永磁感应子式步进电动机。2. 步进电动机的工作原理2图1三相反应式步进电动机的结构示意图1定子 2转子 3定子绕组分页图1是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。电机的定子上有六个均布的磁 极，其夹角是60。各磁极上套有线圈，按图1连成A、B、C三相绕组。转子上均布40个 小齿。所以每个齿的齿距为9 =360/40=9,而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定E子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40,其比值是

3、一分 数，这就产生了所谓的齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，如图1,那么 B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3。因此，B、C极下的磁 阻比A磁极下的磁阻大。若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极， 并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩(磁阻转矩)的作用而转动，直到 B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3 ；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开 三分之一齿距。接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用， 转子按顺时针方向再转过3。依次类推，当三相绕组按A-B-C-A顺序循环通电时，转子 会按顺时针方向，

4、以每个通电脉冲转动3的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按A 一C-B-A顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3的规律转动。因 为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。单 三拍运行时的步矩角9为30。三相步进电动机还有两种通电方式，它们分别是双三拍运 b行，即按AB-BC-CA-AB顺序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按A-AB-BBC -CCAfA顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。反应式步进电动机的 步距角可按下式计算：9 =360/NEr(1)式中 E转子齿数；rN运行拍数，N=km，m为步进电动机的绕组相数，k

5、=1或2。3. 步进电动机的驱动方法步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱 动器，如图2所示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点划线 所包围的二个单元可以用微机控制来实现。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步 进电动机微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。图2步进电动机驱动控制器1. 单电压功率驱动接口实用电路如图3所示。在电机绕组回路中串有电阻R,使电机回路时间常数减小，高频S时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。一般 情况下，简单单电压驱动线路中，R是不可缺少的。R对步进电动机单步响

6、应的改善如图SS3（b）分页A柑图3单电压功率驱动接口及单步响应曲线i图4双电压功率驱动接口2双电压功率驱动接口双电压驱动的功率接口如图4所示。双电压驱动的基本思路是在较低（低频段）用较低 的电压U驱动，而在高速（高频段）时用较高的电压U驱动。这种功率接口需要两个控制 LH信号，U为高压有效控制信号，U为脉冲调宽驱动控制信号。图中，功率管T和二极管DhHL构成电源转换电路。当U低电平，T关断，D正偏置，低电压U对绕组供电。反之U高电 hHLLh平，T导通，D反偏，高电压U对绕组供电。这种电路可使电机在高频段也有较大出力，而 HLH静止锁定时功耗减小。3.高低压功率驱动接口R-V*-比图5高低压

7、功率驱动接口高低压功率驱动接口如图5所示。高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何, 均利用高电压U供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压U来维持绕HL组的电流。这一作用同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻R,消除了附加损 S耗。高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号Uh和，它们应保持同步，且前沿在同一 时刻跳变，如图5所示。图中，高压管VT的导通时间七不能太大，也不能太小，太大时， 电机电流过载；太小时，动态性能改善不明显。一般可取l3ms（当这个数值与电机的电 气时间常数相当时比较合适）。分页4. 斩波恒流功率驱动接口恒流驱动的设计思想是，设法使导通相绕组的电

8、流不论在锁定、低频、高频工作时均保 持固定数值。使电机具有恒转矩输出特性。这是目前使用较多、效果较好的一种功率接口。 图6是斩波恒流功率接口原理图。图中R是一个用于电流采样的小阻值电阻，称为采样电阻。 当电流不大时，V,和VT2同时受控于走步脉冲，当电流超过恒流给定的数值，VT2被封锁， 电源U被切除。由于电机绕组具有较大电感，此时靠二极管VD续流，维持绕组电流，电机 靠消耗电感中的磁场能量产生出力。此时电流将按指数曲线衰减，同样电流采样值将减小。 当电流小于恒流给定的数值，VT导通，电源再次接通。如此反复，电机绕组电流就稳定在 由给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿波，如图6所示。VD,A

9、抽VJJAEK图6斩波恒流功率驱动接口斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号，其中u是数字脉冲，u是模拟信号。这 种功率接口的特点是：高频响应大大提高，接近恒转矩输出特性，共振现象消除，但线路较 复杂。目前已有相应的集成功率模块可供采用。5. 升频升压功率驱动接口为了进一步提高驱动系统的高频响应，可采用升频升压功率驱动接口。这种接口对绕组 提供的电压与电机的运行频率成线性关系。它的主回路实际上是一个开关稳压电源，利用频 率-电压变换器，将驱动脉冲的频率转换成直流电平，并用此电平去控制开关稳压电源的输 入，这就构成了具有频率反馈的功率驱动接口。6. 集成功率驱动接口目前已有多种用于小功率步进电

10、动机的集成功率驱动接口电路可供选用。L298芯片是一种H桥式驱动器，它设计成接受标准TTL逻辑电平信号，可用来驱动电 感性负载。H桥可承受46V电压，相电流高达2.5A。L298（或XQ298, SGS298）的逻辑电路使 用5V电源，功放级使用546V电压，下桥发射极均单独引出，以便接入电流取样电阻丄298（等） 采用15脚双列直插小瓦数式封装，工业品等级。它的内部结构如图7所示。H桥驱动的主 要特点是能够对电机绕组进行正、反两个方向通电。L298特别适用于对二相或四相步进电 动机的驱动。分页与L298类似的电路还有TER公司的3717,它是单H桥电路。SGS公司的SG3635则是单 桥臂电

11、路，IR公司的IR2130则是三相桥电路，Allegr。公司则有A2916、A3953等小功率驱 动模块。图8是使用L297（环形分配器专用芯片）和L298构成的具有恒流斩波功能的步进电动机 驱动系统。十训走_歩栋种舍初半步方向一-5V烬瘟fir皆奴也HUX-V.lnTnx-_卒宦的匸拒常图8专用芯片构成的步进电动驱动系统步进电机工作原理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。目前，生产步进电机的厂家的确不少，但具

12、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1）、反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。1、结构：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疋、2/3 T,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以疋表示），即A与齿1相

13、对 齐，B与齿2向右错开1/3 T，C与齿3向右错开2/3 T，A与齿5相对齐，（A就是A， 齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：2、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2应与B对齐，此时转子向右移过1/3T，此时齿3 与C偏移为1/3 T，齿4与A偏移（T-1/3 T） =2/3 T。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1/3T，此时齿4 与A偏移为1/3 T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1/3T这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4 （即齿1

14、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 T，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电次数（脉冲数）和频率成对应关系。而方向由导电顺序决定。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 T改变为1/6 To甚至于通过二相电流不同的组合，使 其1/3 T变为1/12T,1/24T，这就是电机细分驱动的基本理论依据。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 l/m,2/m（m-l）/m,l。

15、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。3、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/de ）成正比其磁通量二Br*SBr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=N I/RNI为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态）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。（二）感应子式步进电机1、特点：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