兩相步進電機原理？

步進電機是將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的開環(huán)控制元件。在非過載情況下，電機的轉速和停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，不受負載變化的影響，即當一個脈沖信號加到電機上時，電機轉動一個步進角。這種線性關系的存在，加上步進電機只有周期誤差而沒有累積誤差等特點。在速度和位置控制領域，用步進電機控制非常簡單。

雖然步進電機已經得到了廣泛的應用，但步進電機并不像普通的DC電機，常用的是交流電機。只有由雙環(huán)脈沖信號和功率驅動電路組成的控制系統(tǒng)才能使用。所以步進電機不好用，涉及到機械、電機、電子、計算機等很多專業(yè)知識。

目前步進電機的廠家不少，但都有專業(yè)技術人員，可以自行開發(fā)。但是，廠商很少。大部分只有一二十個人，連最基本的裝備都沒有。只是處于盲目模仿階段。這給用戶在產品選擇和使用上帶來了很多麻煩。鑒于上述情況，我們決定以各種電感步進電機為例。描述其基本工作原理。希望對用戶選擇、使用和改進整機有所幫助。

二、感應式步進電機的工作原理

(一)無功步進電機的原理

因為無功步進電機工作原理簡單。將描述三相無功步進電機的原理。

1.結構：

電機轉子中有許多均勻分布的小齒，定子齒有三個勵磁繞組，其幾何軸線依次與轉子齒軸線交錯排列。0，1/3，2/3，(兩個相鄰轉子齒軸之間的距離由表示)，即a與齒1對齊，b從齒2向右偏移1/3，c從齒3向右偏移2/3，a ' '與齒5對齊。

2.旋轉：

如果A相通電，B相和C相不通電，由于磁場的作用，齒1與A對齊(這同樣適用于沒有任何力的轉子)。如果b相通電，而a相和c相未通電，則齒2應與b對齊。此時，轉子在1/3上方向右移動。此時，齒3和齒c偏移了1/3，齒4和齒a偏移了2/3 .

如果c相通電，則a相和b相不通電，齒3應與c對齊。此時，轉子向右移動1/3，齒4與1/3.偏移對齊如果a相通電，b相和c相不通電，齒4與a對齊，轉子通過1/3.向右移動A、B、C、A分別通電后，齒4(即齒1的前一齒)移至A相，電機轉子向右轉動一個節(jié)距。如果通過按A、B、C、A …持續(xù)供電，電機每走一步都會移動，如果按A、C、B、A …電機就會反轉。

可以看出，電機的位置和速度在導通時間(脈沖數)和頻率之間是一一對應的。而方向是由傳導順序決定的。

但是為了扭矩，穩(wěn)定性，噪音，減角等。A-AB-B-BC-C-CA-A常被用作導電狀態(tài)，以至于每一步的原始1/3都變成了1/6.即使通過兩相電流的不同組合，1/3也變成了1/12和1/24，這是電機細分驅動的基本理論基礎。

不難推導出電機定子上有M相勵磁繞組，它們的軸線與轉子齒軸線的偏移量分別為1/m，2/M……(M-1)/M，1。并且可以按照一定的相序控制電機正反轉，這是步進電機旋轉的物理條件。只要滿足這個條件，理論上就可以制造任何相位的步進電機。出于成本等方面的原因，市場上一般有二、三、四、五個階段。

3.扭矩：

一旦電機通電，定子和定子之間就會產生磁場(磁通量)。當轉子與定子偏移一定角度時，力F與(/d)成正比。S是磁密度，S是磁導率面積。f是比例

扭矩與電機有效體積*安培匝數*磁密度成正比(僅考慮線性狀態(tài))。因此，電機有效容積越大，勵磁安培匝數越大，定子和轉子之間的氣隙越小，電機轉矩越大，反之亦然。

(2)感應式步進電機

1.特點：

與傳統(tǒng)的無功步進電機相比，感應式步進電機的轉子設有永磁體來提供軟磁材料的工作點，而定子勵磁只需要提供變化的磁場，而不需要提供磁性材料工作點的能耗，因此電機效率高、電流小、發(fā)熱低。由于永磁體的存在，電機具有很強的反電動勢，自身阻尼效果更好，使其運行平穩(wěn)，噪音低，振動頻率低。

感應式步進電機在某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以制造四個

相運行，也可以做兩相運行。(必須由雙極電壓驅動)，但無功電機不能。比如四相八相運行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用兩相八拍運行模式，這并不難發(fā)現

　　一個二相電機的內部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線(四相)，這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯或并聯使用。

　　2、分類

　　感應子式步進電機以相數可分為：二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。以機座號(電機外徑)可分為：42BYG(BYG為感應子式步進電機代號)、57BYG、86BYG、110BYG、(國際標準)，而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內標準。

　　3、步進電機的靜態(tài)指標術語

　　相數：產生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數。常用m表示。

　　拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態(tài)用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.

　　步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度(轉子齒數J*運行拍數)，以常規(guī)二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/(50*4)=1.8度(俗稱整步)，八拍運行時步距角為θ=360度/(50*8)=0.9度(俗稱半步)。

　　定位轉矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩(由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的)

　　靜轉矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積(幾何尺寸)的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。

　　雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。

　　4、步進電機動態(tài)指標及術語：

　　1、步距角精度：

　　步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在15%

　　以內。

　　2、失步：

　　電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。稱之為失步。

　　3、失調角：

　　轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。

　　4、最大空載起動頻率：

　　電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。

　　5、最大空載的運行頻率：

　　電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。

　　6、運行矩頻特性：

　　電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據。如下圖所示：

　　其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。

　　電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流(而非靜態(tài)電流)，平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。

　　其中，曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。 要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，使采用小電感大電流的電機。

　　7、電機的共振點：

　　步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應子式步進電機的共振區(qū)一般在180-250pps之間(步距角1.8度)或在400pps左右(步距角為0.9度)，電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區(qū)較多。

　　8、電機正反轉控制：

　　當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA或()時為正轉，通電時序為DA-CA-BC-AB或()時為反轉。

　　三、驅動控制系統(tǒng)組成

　　使用、控制步進電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如下：

　　1、脈沖信號的產生。

　　脈沖信號一般由單片機或CPU產生，一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，電機轉速越高，占空比則越大。

　　2、信號分配

　　我廠生產的感應子式步進電機以二、四相電機為主，二相電機工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為,步距角為1.8度;二相八拍為,步距角為0.9度。四相電機工作方式也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB,步距角為1.8度;四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角為0.9度)。

　　3、功率放大

　　功率放大是驅動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉速下的轉矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流(而樣本上的電流均為靜態(tài)電流)。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅動方式，到目前為止，驅動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅動、恒流、細分數等。

　　為盡量提高電機的動態(tài)性能，將信號分配、功率放大組成步進電機的驅動電源。我廠生產的SH系列二相恒流斬波驅動電源與單片機及電機接線圖如下：

　　說明：

　　CP 接CPU脈沖信號(負信號，低電平有效)

　　OPTO 接CPU+5V

　　FREE 脫機，與CPU地線相接，驅動電源不工作

　　DIR 方向控制，與CPU地線相接，電機反轉

　　VCC 直流電源正端

　　GND 直流電源負端

　　A 接電機引出線紅線

　　接電機引出線綠線

　　B 接電機引出線黃線

　　接電機引出線藍線 步進電機一經定型，其性能取決于電機的驅動電源。步進電機轉速越高，力距越大則要求電機的電流越大，驅動電源的電壓越高。電壓對力矩影響如下：

　　4、細分驅動器

　　在步進電機步距角不能滿足使用的條件下，可采用細分驅動器來驅動步進電機，細分驅動器的原理是通過改變相鄰(A，B)電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進電機運轉的。

　　四、步進電機的應用

　　(一)步進電機的選擇

　　步進電機有步距角(涉及到相數)、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。

　　1、步距角的選擇

　　電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率(當量)換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度(包括減速)。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度(五相電機)、0.9度/1.8度(二、四相電機)、1.5度/3度(三相電機)等。

　　2、靜力矩的選擇

　　步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時(一般由低速)時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來(幾何尺寸)

　　3、電流的選擇

　　靜力矩一樣的電機，由于電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流(參考驅動電源、及驅動電壓)

　　4、力矩與功率換算

　　步進電機一般在較大范圍內調速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：

　　P=Ω·M Ω=2π·n/60 P=2πnM/60

　　其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉速，M為力矩

　　單位為牛頓·米

　　P=2πfM/400(半步工作)

　　其中f為每秒脈沖數(簡稱PPS)

　　(二)、應用中的注意點

　　1、步進電機應用于低速場合---每分鐘轉速不超過1000轉，(0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度)間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。

　　2、步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。

　　3、由于歷史原因，只有標稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅動電壓伏值，可根據驅動器選擇驅動電壓(建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V)，當然12伏的電壓除12V恒壓驅動外也可以采用其他驅動電源，不過要考慮溫升。

　　4、轉動慣量大的負載應選擇大機座號電機。

　　5、電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。

　　6、高精度時，應通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數的驅動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產廠家少，其被淘汰的說法是外行話。

　　7、電機不應在振動區(qū)內工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。

　　8、電機在600PPS(0.9度)以下工作，應采用小電流、大電感、低電壓來驅動。

　　9、應遵循先選電機后選驅動的原則。