步进电机工作原理-Read.PDF

步进电机工作原理 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て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A 与齿1 相对齐，B 与齿2向右错开1/3て，C 与齿3 向右错开2/3 て，A与齿5相对齐，（A就是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 て，此时齿3 与C 偏移为1/3て，齿4 与A 偏移（て-1/3て）=2/3て。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 て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。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て这样经过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て,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て改变为1/6 て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て 变为1/12て，1/24て，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Ф）当转子与定子错开一定角度产生力 F与 （dФ/dθ）成正比 S 其磁通量Ф=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=N·I/R N·I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