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1、利用PCB抄板技术解析绣花机步进电机工作原理关键词：PCB抄板绣花机步进电机工作原理、几 、前言PCB抄板属于反向技术研究之一。通过PCB抄板技术我们也可掌握其设计思路，捕捉某些高端设计的 闪光点，以协助电子工程师进行产品技术解析、升级应用研究以及二次开发，从而开发出更高端的产品。 对于步进电机，我们同样也可将内部所有电路模块借助专业抄板软件与抄板技术进行完整复制来实现产品 的全套克隆。同时，通过PCB抄板技术我们也可掌握其设计思路，捕捉某些高端设计的闪光点，以协助电 子工程师进行产品技术解析、升级应用研究以及二次开发，从而开发出更高端的产品。此外，一种新产品技术如何快速地使用户接受，创造最大
2、化的价值，并在短时间内突破其原有的技术 瓶颈实现产品功能的升级，这应该是广大用户与电子工程师最为关心的问题了。而PCB抄板技术可帮您实 现这一目的。本文主要为大家解析步进电机工作原理，帮助大家了解其设计原理与组织架构，以促进该行 业的发展与此类设备的正向研究。步进电机概述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
3、。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。1一宦子戟芯-一-转子註芯-耶骨星一转子
4、铁芯感应子式步进电机工作原理（一）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 、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）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1/3疋，
5、此时齿3与C偏移 为1/3 G 齿4与A偏移（-1/3 ）=2/3 G 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。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往
6、往采用 A-AB-B-BC-C-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疋变为1/12疋，1/24疋，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/d0）成正比其磁通量=B
7、r*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/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
8、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。2、分类 感应子式步进电机以相数可分为 ：二
9、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。3、步进电机的静态指标术语相数：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-CD-DA-AB,四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用0表示。
10、0=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0=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八 拍运行时步距角为 0=360 度/（50*8）=0.9 度（俗称半步） 。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）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转 运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。 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
11、机械噪音。4、步进电机动态指标及术语：1、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： 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。3、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，由失调角产生的误差，采 用细分驱动是不能解决的。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。5、最大空载的运行频率： 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率6
12、、运行矩频特性： 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。如下图所示：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。7、电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相
13、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。三、驱动控制系统组成 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：1、脉冲信号的产生。脉冲信号一般由单片机或 CPU
14、 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、信号分配器 （ 又名脉冲分配器 ）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）。3、 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
15、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。为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、 功率放大组成步进电机的驱动电源。说明：CP 接 CPU 脉冲信号（负信号，低电平有效）OPTO 接 CPU+5VFREE脱机，与CPU地线相接，驱动电源不工作DIR方向控制，与CPU地线相接，电机反转VCC 直流电源正端GND 直流电源负端A 接电机引出线红线 接电机引出线绿线B 接电机引出线黄线 接电机引出线蓝线步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机
16、转速越高，力距越大则要求电机的电流 越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如下：4、细分驱动器在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是 通过改变相邻（A, B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。步进电机的应用（一） 步进电机的选择步进电机有步距角（涉及到相数） 、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型 号便确定下来了。1、步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量） 换算到电机轴上， 每个当量电机应走多少角度（包括减速） 。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距 角一般有0.36度/0.72度（
