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1、步进电机原理 一）位移或线位移的开环掌握元件；在非超载的情形下，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，电机就转过一个累积误差等特点；使得在速度、位置等掌握领域用步进电机来掌握变的特别的简洁；虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象一般的直流电机，沟通电机在常规下使用；它此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及运算机等很多专业学问；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，研制的厂家却特别少，大目的仿制阶段；这就给户在产品选型、使用中造成很多麻烦；签于上述情形，我们打算以广泛的感应子式步进电
2、机为例；表达其基本工作原理；望能对广大用户在选型、使用、及整机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洁；下面先表达三相反应式步进电机原理；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A 与齿 5 相对齐， A 就是 A，齿 5 就是齿 1），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，此时齿 3与C偏移
3、为 1/3）=2/3；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、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，假如不断地按 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；而方向由导电次序打算； 不过，出于对力矩、平稳、噪音及削减角度等方面考虑；往往采纳 A-AB-B-BC C- 步1/3转变
4、为 1/6；甚至于通过二相电流不同的组合，使其 1/3变为 1/12， 1/24，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，其轴线分别与转电按肯定的相序电机就能正反转被掌握 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、3、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场 磁通量 ）当转子与定子错开肯定角度产生力 F与d/d ）成正比导磁面积F 与 L*D*Br 成正比 L 为铁芯有效长度， D 为转子直径 Br=NI/RN I 为励磁绕阻安匝数 电流乘匝数） R为磁阻；力矩 =力 * 半径力
5、矩与电机有效体积 * 安匝数 * 磁密 成正比 只间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然；二）感应子式步进电机统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以供应软磁材料的工作点，而定子激磁只需供应变化的磁场而不必供应磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低好，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；必需采纳双极电B-BC-C-CD-D-DA-）A 完全可以采纳二相八拍运行方式. 不难发觉其条件为 C= ,D= .一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一样，小功率电机一般直接接为二相，而
6、功率大一点的电机动态特点，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；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： 42BYGBYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、 110BYG、 国际标准），而像 70BYG、：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 表示； =360 度转子齿数
7、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，但过份采纳减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不行取的，这样4、步进电机动态指标及术语：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：
8、 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，采纳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，在不加负载的情形下，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；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，也是电机挑选的根；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
9、，电机输出力矩越大，即电机的频率特或电压最高；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，使采步进电机原理 二）7、电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相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 时为正转，通电时序为 DA-CA-BC-AB或 时为反转；三、驱动掌握系统组成使用、掌握步进电机11 / 11必需由环形脉冲，功率放大等组成的掌握系统，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
10、，占空比就越大；2、信号安排器 又名脉冲安排器）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，详细安排如下：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；步进电机在肯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
11、而不同的场合实行不同的的驱动方式，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，将信号安排、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 方向掌握，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；步进电机转速越高，力距越
12、大就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：步进电机原理 三）、细分驱动器在步进电机步距角不能满意使用的条件下，可采纳细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过转变相邻A， B）电流的大小，以转变合成磁场的夹角来掌握步进电机运转的；四、步进电机的应用一）步进电机的挑选步进电机有步距角 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；载精度的要求，将负载的最小辨论率 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0.3二、四相电机）、 1.5 度/3 度
13、三相电机）等；一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩；静力矩挑选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；一般情形下，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来几何尺寸） 流的挑选 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，判定电机的电流参考驱动电源、及驱动电压）综上所述挑选电机一般应遵循以下步4、力矩与功率换算功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P= M =2n/60 P=2
14、 nM/60 其 P 为功率单位为瓦， 为每秒角速度，单位为弧度， n 为每分钟转速， M为力矩其中 f 为每秒脉冲数 二）、应用中的留意点步进电机应用于低速场合 - 每分钟转速不超过 1000 转， ，最好在 1000-3000PPS0.9 度）间使用，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；的电机使用12V 外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值，可依据驱动器挑选驱动电压建议： 57BYG采纳直流 24V-36V， 86BYG采纳直流 50V,110BYG采纳高于直流 80V），当然 12 伏驱动电源， 不过要考虑温升；4、转
15、动惯量大的负载应挑选大机座号电机；5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采纳逐步升频提速，一电机不失步，二可以削减噪音同时可以提高停止的定位精度；6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度, 或采纳高细分数的驱动器来解决，也可以采纳5 相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被剔除的说法是外行话；7、电机不应在振动区内工作，如如必需可通过转变电压、电流或加一些阻尼的解决；8、电机在 600PPS；这种步进电机的引线特别简洁辨论；际上已经给出了，用数字万用表可以找出每对绕组的公共线；只要保持绕组对的两根引线对应一样，它们的次序并无关紧要，仅会影和3，另一个标记为 B 和
16、D 也可以是 2和4 ；在每一对绕组中，哪条引线是何次序并不重要，只要成对就足够了；组通电，结果导致转子旋转，并运动到转子永磁体与具有相反极性的绕组对齐的位置；双拍方式同时给两个绕组通电，这样就导致转就让两个绕组通电与单个绕组通电方式交替地进行；半拍方式的输出力矩比双拍方式小，随设计不同，在15 30之间变化，不；又可以是S极；它又被称为单绕组步进电机，由于每极只有单一的绕组，它仍被称为两相步进电机，由于具有两个分别的线圈；电机具有更大的驱动才能，缘由在于其磁极不是中间抽头的单一线圈中的场强是单极性步进电机的两倍；双极性步进电机的每个绕进电机的缘由；根引线之间就属于一个绕组，其他两根线之间是另
17、外一个绕组；双极性步进电机的步距通常是1.8 ，也就是每周 200步；些差别；双极性步进电机的步进方式如表 4到表 6所示；驱动方式上是极其相像的；以前面介绍的单极性步进电机的步进方式表格为例，交换列B和列 C的位置，将全部的“通”替换为 “+ ”，然任何规律也可以用来驱动双极性步进电机；留意是规律，而非驱动电路；双极性步进电机的绕组需要H 桥电路，而单极性步进电机仅步进电机的绕组时可能使用户产生某些困惑，由于需要把握正确的绕组极性以及次序；通常，仅仅依靠观看是无法确定绕组的极性的下步骤进行：两个表笔连接到正在测量的两个绕组的末端；图8；假如万用表的读数是0V ，同样也确定了绕组的极性，它们的
18、极性相反参见图 9；切换到绕组的另一根引线并短接到另一绕组道如何分组即可；组具有高的磁阻，因此电流无法快速达到峰值；由于并联绕组配置具有低磁阻，电流可以快速达到峰值；事实上，可以通过忽视两条公共绕组的连接，将一个6线单极性步进电机用作双极性步进电机；作者已经测试过，并且工作状态良步进电机问答的角度及步进角）；您可以通过掌握脉冲个数来掌握角位移量，从而达到精确定位的目的；同时您可以通过掌握脉冲频率来掌握电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的；2.角一般为 0.72 度；这种步进电机的应用最为广泛；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
19、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；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90 度完全正常；减小，从而导致力矩下降；生丢步或堵转；在有负载的情形下，启动频率应更低；假如要使电机达到高速转动，脉冲频率应当有加速过程，即启动频率较低，然后按肯定加速度升到所期望的高频电机转速从低速术的一个附带功能；比如对于步进角为1.8 的两相混合式步进电机，假如细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转辨论率为每个脉冲0.45 ，电机的精度能否达到或接近0.场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的
20、0.7 倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否就可能损坏驱动器；情形下要求直接转动电机轴 手动方式），就可以将 FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调剂；手动完成后，再将FREE信号置高，以连续自动掌握；14. 假如用简洁的方法调混合式步进电机及相应的细分驱动器； 但在国内，广大用户对“细分”仍不是特殊明白，有的只是认为，细分是为了提高精度，其实不然，细分主要是改善电机的运行性能，现说明如振动和噪音；假如使用细分驱动器，在10 细分的状态下驱动该电机，电机每运行一微步，其绕组
21、内的电流变化只有0.3A 而不是 3A，且电流是以正弦曲线规律变化，这样就大大的改善步进电机的应用场合有何不同？问题解答：一般来说，两相电机步距角大，高速特性好, 但是存在低速振动区；而五相电机步距角小，低速运行平稳；所以，在对电机的运转精度要求的方式解决；和步进电机相比，伺服电机有以下几点优势：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；能解决的；线中最重要的，也是电机挑选的根本依据；如下图所示：其它特性仍有惯频特性、起动频率特性等；电机一旦选定，电机的静力矩电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点；）或在400pps左右 ；通过调剂 VREF的变化范
22、畴，便可调剂步进电机绕组中电流的幅值；功率驱动电路，绕组电流取样信号Vi 输入到 COMP的i 反向输入端；斩波恒流驱动采纳固定频率的方波与比较器输出信号调制成斩波掌握信号，掌握绕组的通电时间，使反馈电压Vi 始终跟随 D/A 转4KH，z 由 80C196MC的 P6.6/PWM0端产生，且各相是同频斩波，不会产生差拍现象，所以排除了电磁噪声；为防止因比较器漂移或干扰导致功率开关管误导通，让斩波掌握信号和相序控构成泄放回路；与单纯电阻释能电路相比，RC释能电路使功耗和电流纹波增加较小，而电流下降速度大大加快；电流取样信号由精密电流传感放大器MAX471完成；当绕组电流流过其VOUT=ROUT
23、ILOAD500mA/A其中 ROUT为 MAX471外部调压电阻，阻值按设计要求选定；ILOAD为流过精密电阻的相绕组电流；MAX471同时具有电流检测与放大功能，从而大大便利了整个电路的设计与调试；设计的驱动器主要用来驱动额定电流3A、额定电压 27V 以下的步进电机，应选用高频VMOS功率场效应晶体管IRF540VDS=100V， RDSon=0.052W， ID=27A作为开关管； IRF540 导通耦合器6N137 为隔离元件，一方面可以实现前级掌握电路同步进电机绕组的隔离；另一方面使功率开关管的驱动变得便利牢靠；反馈通道的滤波部分采纳无源低通滤波器，其作用是高速光耦合电路的作用是将
24、滤波后的采样电阻反馈信号线性地传输给比较器；软件设计步进电机细分驱动系统的软件主要由主控程序、细分驱动程序、键处理程序、显示数据处理及显示驱动程序、通信监控程序等部分组成；初始化包括8279 各寄存器、 8279 的显示 RAM、 80C916MC的中断系统及内部RAM等；在 80C196MC的各中断中，使用了 INT15、INT14 和 INT13 这三个中断，其中， INT15 为高优先级；重置定时器和置标志位的操作，而其它操作均在主程序中完成；主程序流程图见本刊网站；分驱动程序中，细分电流掌握信号的输出采纳单片机片内EEPROM软件查表法，用地址挑选来实现不同通电方式下的可变步距细分，从而实时掌握步进电机的转角位置；其流程图如图进电机启/ 停运行过程的快速和精确掌握，从其动力学特性动身，推导出符合步进电机矩频特性的曲线应当是指数型运行曲线，并将这一曲线量化后，存入EEPRO；M步进电机在运行过图 3 步进电机细分驱动掌握主程序流程图结语的可变细分掌握、较高细分步距角精度及平滑运行等要求；大量新型元器件的采纳，使所设计的驱动器具有体积小、细分精度高、运