步进马达基本原理.docx
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步进马达基本原理
步进马达基本原理
前言：
本小册主要介绍步进马达的基本原理，应用及相关领域的基础知识，全部为英文翻译本，部分资料来源为国际互联网，尤其适用于马达技术相关技术人员，管理人员学习，希望它能有助于你更快地了解有关步进马达的原理，欢迎提出补充改正意见。
第一章：
步进马达的基本概念
---电磁学基础指南及其在步进马达中的应用
第一节绪论
要学习步进马达的知识，首先要对电磁学的原理有正确的认识，从这些内容当中你将了解到直流马达及发电机是如何工作的，如果你对这些基本概念十分熟悉，你也可以跳过这些章节，直接学习马达理论。
在以下的介绍中，你将很容易地通过书中的插图了解一些抽象的概念。
本章中包括以下的内容：
1，基本电学
2，磁铁原理
3，电磁学原理
4，直流马达原理
5，电磁继电器原理
6，直流发电机原理
7，控制原理
8，步进马达的基本原理第一部分（完全步进）
9，步进马达的基本原理第二部分（半步进）
10，步进马达的基本原理第三部分（实用马达）
11，直流马达的电子控制
12，步进马达的电子控制
第二节电学基础
在学习本节之前，你需要一些电子流动方面的知识，例如，电压的概念就象闭环中电子即将流动的趋势，一旦开始流动，则阻止其流动（有电阻存在），科学家欧姆发现了电学的基本原理：
一段通电的导线的电流：
正比于电压：
当加上两倍的电压时，将有两倍的电流通过，一半
的电压时，将通过一半的电流；
反比于电阻：
当有两倍的电阻时，电流减半，一半的电阻时，电
流加倍；
也就是说：
电流正比于电压，反比于电阻
即：
I=E/R（E表示电压，R表示电阻）
最简单的比较就象管道里流动的水，可以具体地想象出，水的流量变化取决于水压，水压高时流量大，水压低时流量小，这与电压与电流的关系相同；
同时，水管的尺寸小时，产生的阻力就大，流量便减小，水管的尺寸大时，产生的阻力就小，流量便增加。
这与电阻变化时电流的增减相同.
闭环
闭环是这样一个电子结构：
电子（电流的成分）从电源正极出发，通过连续的电阻，最后回到电源负极。
当你打开电灯时，你会看见直到开关闭合，电子接触闭环建立后，灯泡才开始发光（其他事情也是一样，如蓄电池，好的灯泡，在能正常工作时中间不会存在断路等。
）
第三节磁铁原理
磁铁之所以有磁性认为与一种肉眼看不见但可以测量到的磁力线有关（如图1-1所示）
这些磁力线从磁体两端辐射开来，两个端点称为极，一个是北极，另一个是南极。
磁场的强度取决于磁铁的强度。
这些磁力线在磁性材料中流动较在空气中要顺利得多（见图1-2）
当把两个磁铁靠近时，有趣的事情发生了（如图1-3）：
图1-3A：
异极靠近互相吸引图1-3B：
同极靠近互相排斥
相异的磁极（如南极和北极）互相吸引，相同的磁极（如两个南极或两个北极）相互排斥，靠得越近，相互间的吸引力（如异极）或排斥力（如同极）越大。
为什么会这样呢？
原来磁铁同极靠近时磁力线相互干扰（从而产生相互之间的排斥力），而异极靠近时磁力线相互增强（从而产生相互之间的吸引力），它们趋向于形成一个大磁铁。
条形磁铁可以弯曲成马蹄形，这种情况下两极之间的磁力线很集中。
（如图1-4所示）
图1-4
第四节电磁学原理
当一段导线中有电流通过时，导线的周围便产生了环形磁场（如图1-5）
环形
磁场
图1-5
环形磁场的方向与电流方向有关，而电流方向依赖于所提供电源的极性（如图6所示）
上图1-6直观地表示这一物理现象，有助于更好地理解这个抽象概念。
从这里可以看出，当电流方向远离你时（假设你在面对导线的方向上），你将看到一个环形磁场并在导线周围成逆时针方向，反之，当电流方向朝向你时（表示为一个点），导线周围的磁力线将变为顺时针方向。
这些图画用于解释一些基本理论的教育图案。
如果你需要更深入地理解有关电磁学理论的抽象的物理概念，你可以深入探索前面的章节。
但是就我们对电磁学的基本理解已经足够（如上图所示）。
如果一根导线中有电流通过，那么将产生环形磁场。
当我们把它放在两个不同的磁极之间时（比如放在马蹄形磁铁的空隙中时），一个类似马达的动作将会发生：
导线将向里偏移，方向是趋向于离开磁场的方向（如图1-7）：
这个偏移力的大小取决于导线周围马蹄形磁铁空间中磁场强度（越靠近中心，力量越大），以及导线周围产生的环形磁场的大小。
为什么会这样呢？
原来磁场方向在外部与导线产生磁力线方向相同，相应的在环形磁场里侧方向与导线周围磁力线方向相异，这样对导线便产生了向上的推力（如图9所示）。
环形磁场的强度可以通过以下方式来增加：
A：
增加导线中的电流：
可通过增加电压或减少导线的电阻来实现（更换为另一种形式的导线或较大的尺寸规格）
B：
增加相互靠近的同电流方向的导线的数量（如图1-8所示）。
产生的偏移力的方向取决于磁场的磁力线的方向，以及导线周围磁力线的方向（如前所述取决于电流的方向）（如图1-10，1-11所示）
图1-10图1-11
需要注意的是虽然偏移力的方向会随磁铁的极性方向而改变，但是如果磁极与电流方向同时改变，那么偏移力方向不会改变（如图1-9，1-10）
如果一段导线趋向于远离磁铁，这时候电流方向与磁场强度的方向同时改变，那么导线仍将趋向于远离磁场；但是如果仅仅一个参数发生改变时，偏移力将趋于靠近磁场。
一个简单的电磁铁
我们可以在50毫米的吸管周围缠绕30圈质量较好的漆包线制作成一个电磁铁（如图1-12所示）
我们在导线的末端附加一个1.5V的电池（确保先剥去外表绝缘层）,注意要使它看起来象一个电磁铁（如用纸夹住等）,并用另一个磁铁靠近它,注意看在以下几种情况下有什么现象发生:
增加电压（连接两个或更多的电池,小心不要触电或起火）;
把连接电池的两极调换;
在吸管的中心放一个铁钉;
我们可以这样简单地制作一个电磁铁。
如果你打开一个旧门铃，一会儿是叮（当你按下按钮时），一会儿是咚（当你放开按钮时）。
你可以发现电磁学在现实生活中的具体应用。
收音机和高音喇叭是同样的工作原理。
在这种情况下，线圈中间不是直流电，而是我们常见的经过加工的音频信号。
线圈缠绕在扬声器的锥体上，当运动时，锥体运动引起周围空气的波动，于是就产生了声音。
如果你把你的手放在大扬声器100毫米的地方或者更近，用1.5V的电源把扬声器连接起来，你将会发现锥体移动时的砰然的响声。
改变电池的方向时你会发现锥体的移动也改变为另一个方向。
我们可以想象门铃的响声是因为闭合开关引起线圈中电流的流动而使开关打开，而放开按钮将使线圈中的电流中断而使开关断开。
这样的开关可以控制比自身线圈中更多的电流。
以上所述其实就是继电器。
这样我们就可以通过当前的小的电流或电压或是简单的仍是受控的开关装置，去控制高电流或开关更高的电压。
你可以通过一个只有5V电压制作的晶体管去启动一个重大任务的主控电动机或其它装置。
通常，为安全起见，你需要同主电源之间用木板绝缘以免触电或产生潜在的火灾（因电压或电流大），而继电器则正好能达到这个目的。
第五节直流马达
如果你把一组导回路放在条形磁铁的磁场中间（如图1-14所示），并且提供电流时，你将发现一个马达的动作，这时导线回路将发生转动。
这样的结果仅仅在回路放在临近磁力线的地方才会发生（图1-15）。
你可以看到在右手边，回路下端磁力线相互增强而在上面磁力线相互减弱，这样将导致导线上升；而在左手边则正好相反（上面磁场增强，下面磁场减弱）。
这样左右共同作用，将使导线回路绕着中心转过某一个角度。
与这个相反的另一个例子：
在各自的磁场中间没有马达的动作，因为导线回路不能转动（导线运动方向趋向相互远离）（如图1-16）
上面就是直流马达的基础部分，此外我们还需要给它附加一些部件以使它可以正常工作。
从以上例子可以看出，要使导线环自由旋转，需要在旋转180°后开关导线中的电流，在这里，我们是通过一个简单的刷状机械装置来实现的。
这样，当环路转动到垂直的位置时，你会发现线圈的末端离开了开关的连接。
在惯性作用下，回路继续转动直到回路的另一端到达右边触点,原来的回路使左手边碳刷接触。
如果你通过实验来验证这个概念时，你会发现电流会使导线回路转动180°后再次和碳刷接触，使旋转得以继续。
旋转的方向由以下因素决定：
1，电源的极性；
2，永久磁铁磁场的方向。
改变其中任何一个将会使转动方向相反，但是如果两个都变为反
方向则转动方向不变。
实际的马达转子是由若干组线圈组成的。
每组都由一些在单独的回路上缠绕多次的线圈组成（如图1-18）。
许多的组件使得动力传递更加平稳，就象单缸发动机和多缸发动机（如8缸或12缸等）一样。
在每一组线圈末端的连接装置称为换向器。
第六节传感器
当一组线圈回路在磁场中移动时，回路中将产生电流，当然回路需要连续移动否则电流将不能持续。
所产生的电流强度大小取决于：
1，磁场的强度；
2，移动的速度；
这种情况可以看作是与以前描述的马达动作相似的现象，但是前面是带电流的线圈回路可以在磁场中转动，而现在是线圈回路在磁场中移动可以产生电流，两者是一种相反的情况。
此外还有一个主要的不同之处。
我们在一个马蹄形磁铁的磁场中间放入若干组线圈回路（如图1-20左侧）我们可以看到，如果提供电压使线圈顺时针转动，在电流表中测量到正向电流，如果我们移开电源并且闭合回路（如图1-20右侧）这时候顺时针转动回路，在电流表上得到（与线圈同样方向旋转）相反的电流。
这正是电磁学的另一个分枝，相关内容在别的部分介绍。
NN
我们可以通过把以上线圈回路中的两端作为一个输入控制来制作一个传感器。
如果磁铁可以使移动的线圈产生电流那么它就可以作成一个用于输入控制的传感器。
注意输入的存在需要磁铁不停的移动，它与线圈回路或磁铁那一个移动关系不大，但是习惯上通常移动磁铁。
产生感生电压的大小取决于：
1，磁场强度的大小；
2，磁铁和线圈的相对移动速度；
3，磁铁和线圈的距离；
4，线圈绕组的数量；
5，线圈中间的导磁性材料（改变磁场强度的集中度，如软铁或其它等）。
第七节直流发电机
用外力使磁铁和线圈之间相互运动可以产生电压是直流发电机的基本原理。
直流发电机的基本结构与直流马达相似，直流发电机所产生的电压的大小受以下因素控制：
1，转子的转动速度；
2，每一段转子上线路的圈数；
3，转子周围的段数或准备的转子线路的圈数。
第八节直流马达的基本控制
直流马达可以用在许多的工作中间如决定自动机械装置的位置等，但它们有一个主要的缺点。
当计算机需要装置移动到一个特定的位置，它需要复杂的外部电路用于计算机参数中间的装置的位置，或其它转动的属性如速度、加速度/减速度等。
图1-21表示了一个控制过程的模型。
第一副图描述了开环的控制过程，目标被移动并且无信息反馈指明发生了什么，具体情况例如，一定质量的水温上升是通过在设定的时间内调节加热部件的电压来实现的，这时假设水并没有上升到要求的温度，但事实上没有知道的途径。
就如当我们想要把一个机械装置旋转45°我们可以给直流马达在设定时间内提供一定的电压，从而想要达到我们的预想结果。
开环时没有考虑到直流马达的个体特征，装置不同的负载，马达直流电压的控制等。
因此最好有关于发生事情的反馈。
为了达到这一目的，我们应该提供电压并且安装关于装置移动的测量设备（如上例中水被加热的温度等）。
第二副图展示的控制器有另一个输入端口，即测量信息的反馈端口，这样的形式又称为闭环，它包含本章以外的技术而不仅仅是基本指南。
因此，如果我们不能用一个闭环系统去控制我们的自动机械设备，我们可以考虑采用开环的形式，这就引入了步进马达的概念。
第九节步进马达的基本理论
（一）
上一节当中介绍了步进马达怎么用于开环模式中，这个例子说明当安排马达完成什么任务，如转动一定的距离时，它无需进行反馈。
这一节将研究这是怎样实现的。
首先你会发现步进马达内部至少要两组以上的线圈，实际上，不同的类型有4、5个甚至更多。
并且当你用手转动SHAFT时，你将体会到一点不满比如马达里的轴承的不足之处。
步进马达的内部简单构造如图1-22所示。
在上例中，转子是条形磁铁并以自己的中心为中心轴。
你可以看到两个线圈回路，每一个回路形成了自己的磁场，并且每一个都有不同的极性。
我们假设通电后磁块A为南极，磁块B为北极（极性是确定的，因为它们之间的通路断开），磁体的转子将象图示那样放置（回忆一下我们以前接触的有关磁极之间相互吸引的理论，这个理论对理解步进马达的运转有很重要的作用）。
你会发现转子不仅在这个位置，并且保持不动直到给线圈通电，如果没有来自外力的干扰，这个静止的位置一直保持到线路中有足够大的电压使线圈中产生充足的电流使电磁吸引力有效。
现在得使转子转动。
如果我们把电压从第二组回路移到第一组回路，A和B磁块之间没有磁极吸引，而这时C和D磁极之间产生磁极吸引（如图1-23所示）
我们假定磁块C为南极，磁块D为北极你可以看到磁铁将转动到一个新的位置------顺时针转动90°。
这是一个非常原始的装置但它可以转动并保持固定位置。
在接下来的顺时针转动中，我们把电压从第二组线圈再移到第一组线圈，但这一次为相反的方向，即磁铁A为北极而磁铁B为南极（图1-24）磁块旋转了90°为了让它再一次转动，我们又把电压从第二组线圈移到第一组线圈，又一次改变方向（如图1-25）：
这一次磁块C变为北极而D变为南极，接着是下一个90°转动，为了达到起始位置我们再把电压从第一组线圈移动到第二组线圈，并使A磁块变为南极B磁块变为北极（图1-22）。
为获取再一次的转动，我们再次按顺序重复，这样就可以顺时针转动。
那么怎样可以使它朝相反方向转动呢？
很简单，我们把电压从第二个回路移动到第一个回路但同时改变电压的方向，这样C磁块变为北极，D磁块变为南极。
图1-26就展示了逆时针转动的情况。
你可以发现我们设定了一个电磁铁的转动次序，这样磁铁转子就随着转动。
应该注意SHAFT的附加阻力不能太大使得转子不能转动，这是因为当阻力太大时，线圈中的电压强度将不足以使转子发生转动，这时，SHAFT将仅有一个转动的趋势。
并且，供给驱动顺序的控制器将失去位置信号的作用，也就是说只是想象出转子在某一个位置而不再是它的实际位置。
马达顺序旋转的速度在需要一定的加速度或减速度时，要克服负载的惯性，以便使马达不要太快得取得加速，减速度则相反。
这就是全步进马达，也就是每一个循环有四步，如果我们需要半步进顺序，我们可以在每一个周期中获得两次或更多的步幅（45°一次）。
具体内容将在第二部分介绍。
第十节步进马达基础理论
（二）
在上一部分中示范了全步进马达在运转过程中每一转有四个步进过程，如果我们进入半步进，我们将在每一转中获得两倍的步进（即45°一步）我们的做法就是有时允许两组线圈回路同时通电，这中情况下需要注意的是当两组线圈靠近时将相互加强并产生一个合成的磁场，合成磁场的中心取决与两个磁场的相对强度（如图1-27所示）。
半步进马达的工作示意图如1-27，这是半步进马达顺时针工作的直观表示图，同样的道理，逆时针的转动情况与此类似。
45°是一个非常初始的角度，那么实际工作中的马达怎样成功地实现1.7°的转动的呢？
有关内容将在下一节中作以介绍。
第十一节步进马达基础理论（三）
在学习本节内容之前，你需要对前面章节的内容再次复习。
在前面的章节中我们介绍过90°或45°是最为初始的步进角度，那么实际的马达怎样实现如1.7°的移动的呢？
实际马达的定子（固定的电磁铁）有许多段（比我们前面讨论的要多）如图1-28所示，转子也与以前的有所区别如图1-28。
如果一个定子有八个不同的部分，并且每一个不同的段或磁块之间夹角为45°，如果转子有六段那么相邻两节之间的夹角为60°（如图1-28所示），根据卡尺机构的原理，转子的实际转动每一步将可以达到60-45或15°，那么这又是怎样实现的呢？
在上例中，磁块A、C、E和G绕线并和磁块B、D、F、H组合成回路，我们假定开始时A、C、E、G已经极化如下：
A为北极；
C为北极；
E为南极；
G为南极；
转子将如图示那样依此排列起来。
让我们看看这时转子怎样实现顺时针转动15°的：
这时把电流移动到第一组线圈上并使各磁块极性如下：
B为南极；
D为南极；
F为北极；
H为北极；
这样转子就可以实现顺时针转动15°，如果要使转子逆时针转动15°，那么磁块B、D、F、H需要变为与现在相反的磁极。
另外现在的步进马达将有更多大的段，这样你就可以使马达转动一个很小的角度了。
其他的步进马达的转子有永久磁铁的也有软铁的，但它们工作的基本原理都是相类似的。
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第十二节直流马达驱动器及控制
直流电是怎样作用于控制器而使直流马达或继电器运转的呢？
学习本节之前你需要对三极管的理论有一些基本的了解。
要打开一个直流马达、继电器等，通常我们使用图1-29的开关，电子控制器常使用如图1-30的晶体管线路。
在图1-29中要使马达实现转动我们要合上开关，而在图1-30中使用了晶体管，我们需要打开开关以实现马达的转动。
如果在基极和发射极之间有足够的电压（大于0.8V），晶体管象一个开关一样在集电极和发射极之间动作，电压的极性取决于晶体管的类型，NPN型为0.8V而PNP型为-0.8V。
那么直流马达是怎样改变方向的呢？
我们把提供给马达的电池方向置反，图1-31及图1-32提供了达到这一目的的两种方法：
在图1-31的电路中，要使马达朝一个方向转动，需要闭合开关S1，而要使转动变为另一个方向，则需要闭合开关S2，但是无论如何不能同时使S1、S2同时闭合。
另一个方法是使用如图1-32的桥式电路，这时只需要提供一个电源。
这种情况下，要使马达朝某一个方向转动，我们需要闭合开关S1和S3，要使它朝另一个方向转动，需要闭合S2和S4。
同样的道理，我们无论如何不能同时使S1、S2、S3、S4同时闭合，否则，电源将发生短路，使电路遭受惨重损失。
控制器需要使用晶体管来完成这个任务，其回路简图如1-33所示：
这也只是一个概念上的回路而没有其它附加的部分，可能并不能在实际工作中使用（PC控制软件中的“readme”文件将展示一个桥式晶体管控制器在实际中工作的例子）。
这时，控制器将规定一个前进的信号，即使Q1和Q3晶体管导通而使马达正转（通常这就是马达启动的基本原理）。
另外，当反转信号接通时，晶体管Q2和Q4导通，马达实现反转。
再一次强调控制器决不允许正转信号和反转信号同时接通，否则将会烧坏晶体管。
第十三节步进马达驱动器及控制
我们知道步进马达有两组线圈并单独提供电源，并以正反方向顺序提供，如果有什么不清楚的地方，需要对以前所学的步进马达的基础知识再次复习。
实现步进马达的驱动需要两个桥式回路如图1-33：
正转和反转信号通过控制器提供并作用于计算机，计算机通过程序产生两个正转和反转信号装置，每一个装置对应一个驱动器的一组线圈。
计算机程序决定每一组正、反转信号的顺序并关注加速或减速的问题。
应用软件通知计算机步进马达需运转多少距离，转动多少圈及那一个方向以及计算机何时休息等。
第二章步进马达基础知识
第一节步进马达基础
步进马达是一种把电脉冲转换为连续机械运动的机电装置，电脉冲以适当的顺序输入马达后，步进马达的轴或心轴将以不连续的步进增量旋转。
步进马达的运动方向和输入电脉冲的顺序直接相关，运动的速度与输入脉冲的频率直接相关，运动的距离长短与脉冲的数量相关。
一，步进马达的优缺点：
优点：
1，马达转动的角度与输入的脉冲数成正比例；
2，马达静止时有全扭矩（如果线圈被激励）；
3，步进马达有很好的位置精度和重复性，精度较高的马达每一步只有3-5%的误差，而且这种误差不会积累；
4，有很好的起动、制动、反转性能；
5，因为没有电刷所以性能可靠，它的寿命只取决于轴承耐磨的寿命；
6，马达受输入脉冲的控制，是开环的，因而这种马达比较简单并且价格低廉；
7，通过外负荷和马达轴的配合，可以获得速度很低的同步运动；
8，因为马达转速和输入脉冲的频率成正比，因而速度可以在很大范围内调整；
缺点：
1，如果控制不当会发生共鸣、共振；
2，在特别高的速度情况下不容易控制；
二，开环控制
步进马达的最大优点是在开环的情况下可以实现精确的控制。
开环控制意味着没有位置信号反馈，这就省去了诸如电信号之类的感应与反馈装置，运动的位置只要通过跟踪输入脉冲的多少就可以知道。
三，步进马达的类型
步进马达有三种基本形式：
1，可变磁阻型；
2，永久磁铁型；
3，
混合型；
图2-1可变磁阻式马达的中心部分
1，可变磁阻式
可变磁阻式步进马达已经存在很长一段时间，通过图2-1即可很容易地理解，在图中显示这种马达的结构图。
这种马达有一个带有短牙状的铁芯和转子，当线圈通入直流电后，铁芯牙状部位励磁，转子就会被吸引而转动，使转子的一对牙与铁芯的一对牙靠近。
2，永磁式
这种马达比较便宜，但分辨率较低，一般的步进角是7.5°~15°（每
圈48~24齿）。
就象它的名字一样，永磁式马达的转子上有一个永久磁铁，转子不再象VR型带有牙状，而是磁铁上带有N、S变化的磁极，每个磁极与SHAFT平行，这种磁体的FLUX值更高，因而这种马达要比VR型的扭矩更大。
（见下图2-2所示）
图2-2永磁式马达的原理
3，混合型
混合式马达比PM型的价格高，但是它具有更好的控制精度，更大的扭矩和更高的速度。
这种马达的步进角度是3.6°到0.9°（100~400步/周）这种马达结合了PM型和VR型的优点。
转子象VR型一样是带牙状的磁铁，同心地粘接在SHAFT上，转子的牙状提供了很好的导磁通路，从而避免磁力线流失到空中去，因而具有更好的制动性、支持力和动力学特性。
这比起VR和PM型都有所改善。
（如下图2-3）
图2-3混合型
马达的中心
最为通用的马达是PM型和混合型。
当设计者不能确定用那种型式为好时，应优先考虑PM型。
因为通常PM型要比HY型便宜好几倍，否则HY型自然是最佳选择。
此外也有一些步进马达特殊的设计形式。
其中一种叫磁盘马达。
这种马达的转子设计得象一个盘状（见图2-4）。
这样有一些优点，比如很低的惯性和最佳的磁力线分布，并且两个线圈之间互不干扰，这些特征在某些场合是十分重要的。
图2-4磁盘马达的原理
四，尺寸和功率
除了按照步进角分类外，马达也可按外形尺寸（机体直径）进行分类。
比如11型步进马达的外框直径是1.1英寸，同样23型步进马达的外框直径是2.3英寸（即58mm）而马达的长度都各不相同，即使对于同样的外框尺寸的马达也是一样。
一般来讲，同一外形尺寸，马达的输出功率随着其长度的增加而增加。
通常IC驱动的步进马达的功率从小型的低于1瓦特到大型的10~20瓦特。
步进马达的最大消耗功率或发热限制很少在制造时就能明确标出，要确定它们必须依赖基本公式P=V*I，比如，一个23型马达每相电压为6V，电流为
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