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1、步进电机的工作原理一、前言 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。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
2、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疋，（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以疋表
3、示），即A与 齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3疋，C与齿3向右错开2/3 r, A，与齿5相对齐，（A龙是A ,齿5就是齿1）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 r,此时齿3与c偏移为1/3r，齿4与A偏移（r-1/3r）=2/3r。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1/3r，此时齿4与A偏移为1/3 r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1/3r这样经 过A、B、C、A分别通电状态，齿4 （即齿1前一齿
4、）移到A相，电机转子向右转过 个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3r,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。往往米用A-AB-B-BC -C-CA-A 这种导电状态，这样将原来每步1/3疋改变为1/6疋。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
5、定的相序电机就能正反转被控制一一这是步进电 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（dO/d）9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 N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。（
6、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。（必须米用双极电压驱动），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
7、=.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 二、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
8、如下：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.左右，电机转速 越高，占空比则越大。2、信号分配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）。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
9、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。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。我厂生 产的 SH 系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下：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
10、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。四、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
11、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（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电 机）、1.5度/3度（三相电机）等。2、静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依 据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一 的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时 主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载 的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下
12、来（几何尺寸）3、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图， 判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）4、力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与 功率换算如下：P=Q=2nn/60 P=2nnM/60其P为功率单位为瓦，Q为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米P=2nfM/400半步工作）其中f为每秒脉冲数（简称PPS）（二）、应用中的注意点1、步进电机应用于低速场合一每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS），最好 在1000-3000PPS（0.9度）间
13、使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效 率高，噪音低。2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱 动电压伏值，可根据驱动器选择驱动电压（建议:57BYG采用直流24V-36V，86BYG 采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可 以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一 电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。6、高精度时，
14、应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可 以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。8、电机在600PPS （0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。9、应步进电机14问1. 什么是步进电机?步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲:当步进驱动器接收到一个 脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过 控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来 控制电机转
15、动的速度和加速度，从而达到调速的目的。2. 步进电机分哪几种?步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR ）和混合式（HB） 永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度； 反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。 在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又 分为两相和五相:两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的 应用最为广泛。3什么是保持转矩（HOLDING TORQUE ）?保持转矩（HOLDING TORQUE ）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。4什么是 DETENT TORQUE?DETENT TORQUE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；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。5.
