步进电机的研究报告.doc

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步进电机的研究报告

前言：

　 步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

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。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

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（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

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；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。

关键字：

感应电机、执行元件、电脉冲转、步距角、角位移量、准确定位、开环控制。

目录：

一、步进电机

1、步进电机的工作原理

2、步进电机的结构

3、步进电机的分类

4、如何控制步进电机

5、步进电机的特点

6、步进电机的工作方式

7、步进电机的选用

8、步进电机的测试

9、步进电机的型号、参数、尺寸标准

10、步进电机应用中的注意点

二、步进驱动器

1、步进驱动器工作原理

2、步进驱动器的作用

3、步进驱动器如何接线

4、如何的确定步进电机线序

5、步进驱动器的工作模式

6、步进驱动器的选择

三、步进电机控制系统

1、步进电机控制系统的组成部分

2、步进电机控制器的种类

3、步进电机控制器的作用

四、步进电机的最新研究成果及发展方向

五、扩展

1、变频器对步进电机的节能改造

一、步进电机

1、步进电机的工作原理

步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。

每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。

通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。

该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。

当定子的矢量磁场旋转一个角度。

转子也随着该磁场转一个角度。

每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。

它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。

改变绕组通电的顺序，电机就会反转。

所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

　　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）下面是定转子的展开图：

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*SBr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/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。

2、步进电机的结构

下图是步进电机结构组成图：

按照励磁方式分类，步进电机可分为反应式、永磁式和感应子式。

其中反应式步进电机用的比较普遍，结构也较简单。

这里以此类电机为例介绍其结构。

反应式步进电机又称为磁阻式步进电机，其典型结构如图1所示。

这是一台三相电机，定子铁心由硅钢片叠成，定子上有6个磁极，每个磁极上又各有5个均匀分布的矩形小齿。

三相电机共有三套定子控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。

转子也是由叠片铁心构成，转子上没有绕组，而是由40个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两齿之间的夹角为9度

3、步进电机的分类

现在比较常用的步进电机包括

①反应式步进电机（VR）。

②永磁式步进电机（PM）。

③混合式步进电机（HB）。

④单相式步进电机等。

各种步进电机的特点：

①永磁式步进电机

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。

②反应式步进电机

　　反应式步进电机一般为三相，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。

反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。

③混合式步进电机

　　混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。

它有时也称作永磁感应子式步进电动机。

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。

这里对常用的永磁式步进电机和感应式步进电机做详细介绍：

1.磁阻式步进电动机

磁阻式步进电动机也叫反应式（BF）步进电动机，其实、转子均由软磁材料冲制、叠压而成。

定子上安装多相励磁绕组。

转子上无任何绕组，转子圆周外表面均匀分布若干齿和槽。

定子上均匀分布若干个大磁极，每个大磁极上有数个小齿和槽。

其磁路结构为单段式径向磁路。

此外还有多段式径向磁路和多段式轴向磁路结构。

磁阻式步进电动机相数一般为三相、四相、五相、六相。

多段式径向磁路的磁阻式步进电动机是由单段式演变而来的。

各相励磁绕组沿轴向分段布置，每段之间的定子齿在径向互相错开1／m齿距（m为相数），与单段式相比其电感小，转动惯量小，动态性能指标高。

但电机的风度差，制造工艺复杂。

多段式轴向磁路的步进电动机的励磁绕组为环形绕组，绕组制造和安装都很方便。

定子冲片为内齿状的环形冲片，定子齿数和转子齿数相等。

每段之间定子齿在径向依次错开1／m齿距（m为相数）齿距，转子齿不错位。

后两种结构和其他型式的磁阻式步进电动机目前都已很少采用。

不论哪一咱磁阻式步进电动机，它们的共同特点是：

  ⑴定转子间气隙小，一般为0.03～0.07mm

  ⑵步距角小，最小可做到10'。

  ⑶励磁电流大，最高20A。

  ⑷断电时没有定位转矩。

  ⑸电机内阻尼较小，单步运行振荡时间较长。

  ⑹步距角大，例如15°、22.5°、45°、90°等。

  ⑺相数大多为二相或四相。

  ⑻启动频率较低。

   ⑼控制功率小，驱动器电压一般为12V或24V,电流濒于2A。

⑽断电时具有一定的保持转矩。

2、感应子式步进电机　

⑴特点：

感应子式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以 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。

感应子式某种程度上可以看作是低速同步的电机。

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。

⑵分类：

感应子式电机以相数可分为：

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等均为国内标准。

⑶步进电机的静态指标术语相数：

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，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-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θ表示。

θ=360度（转子齿数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θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=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，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。

此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）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，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

⑷动态指标及术语：

　　1、步距角精度：

步进电机每转过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：

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，采用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，在不加负载的情况下，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。

　　6、运行矩频特性：

电机在某种测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，也是电机选择的根本依据。

如下图所示：

其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。

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，电机输出力矩越大

4、如何控制步进电机

1、步进电机驱动原理：

是通过对每相线圈中的电流的顺序切换来使电机机作步进式旋转，切换是通过单片机输出脉冲信号来实现的。

所以调节脉冲信号的频率便可以改变步进机的转速，改变各相输入脉冲先后顺序，可以改变电机的旋转方向。

2、转速控制：

调节脉冲信号的频率便可以改变步进机的转速

3、位置控制：

改变脉冲信号的个数便可以改变步进机的位置

4、方向控制：

改变各相脉冲的先后顺序，便可以改变步进机的转向

5、减小步距角的途径

为了提高精度，要求一个脉冲对应的位移量小，即步进电机的步距角小。

磁阻式步进电机的步距角可由下边公式求得

⑴

式中Mc为控制绕组相数，C为状态系数，三相单三拍或双三拍时C＝1，三相六拍时C＝2。

Zr为转子齿数

减小步距角有以下四种方法：

⑴增加步进电机控制绕组的数量。

步距角Q与绕组数Mc成反比，Mc越大则Q越小。

三相步进电机单拍运行时的步距角为3度（40转子齿），如果采用四相电机，则步距角减小到1.8度（50转子齿）。

但是相数越多电机结果越复杂，制造越困难，靠增加相数减小步距角的成本很高。

⑵增加拍数。

即增大状态系数C。

状态系数也与步距角成反比，增加拍数相当于增加绕组相数。

三相步进电机单三拍运行时步距角为3度，采用三相六拍模式后步距角减小到原来的一半。

但步进电机所能实现的拍数同绕组相数直接相关，三相步进电机最多能实现的拍数是六拍，四相电机最多八拍。

靠增加拍数减小的步距角有限。

⑶增加转子齿数Zr。

由于Zr与步距角Q成反比，增加转子齿数也能减小步距角。

但受加工精度、制造成本限制，转子齿数不能无限增多。

⑷采用细分电路。

对于一个步进电机，采用细分电路后其步距角减小为原来的1/N（N为细分数）。

理论上N可以无限增大，从而步距角Q可以无限减小。

细分电路对于任何反应式步进电机都适用，尤其是步距角较大的低端步进电机，能显著减小步距角，提高运动精度，从而在某些场合可以代替高端步进电机。

5、步进电机的特点

1）、一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

2）、步进电机外表允许的最高温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；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。

3）、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。

在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

4）、步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进电机有一个技术参数：

空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。

在有负载的情况下，启动频率应更低。

如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。

主要要求：

动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。

6、步进电机的工作方式

不同相的步进电机的工作方式不同，这里以三相和四相步进电机为例简介其不同的工作方式：

⑴三相步进电机为例）步进电机的工作方式可分为：

①三相单三拍、②三相六拍、③三相双三拍。

如果按A→B→C→A······方式运行的称为三相单三拍，“三相”是指步进电机具有三相定子绕组，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指三次换接为一个循环。

此外，三相步进电机还可以以三相双三拍和三相六拍方式运行。

三相双三拍就是按AB→BC→CA→AB······方式供电。

与单三拍运行时一样，每一循环也是换接3次，共有3种通电状态，不同的是每次换接都同时有两相绕组通电。

三相六拍的供电方式是A→AB→B→BC→C→CA→A······每一循环换接六次，共有六种通电状态，有时只有一相绕组通电，有时有两相绕组通电。

⑵四相步进电机按照通电顺序的不同可分为：

①四相单四拍、②四相双四拍、③

四相单八拍

单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。

八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示：

7、步进电机的选用

步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。

每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。

电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。

步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。

步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。

广泛应用于机电一体化产品中，如：

数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。

选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。

而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。

在实际工作过程中，各种率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。

一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。

选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。

在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。

但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。

精度是由电机的固有特性所决定。

论文天地欢迎您选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。

选择步进电机需要进行以下计算：

（1）计算齿轮的减速比

根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下:

i=（φ.S）/（360.Δ）（1-1）

式中φ---步进电机的步距角（o/脉冲）

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S---丝杆螺距（mm）

Δ---（mm/脉冲）

（2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。

Jt=J1+（1/i2）[（J2+Js）+W/g（S/2π）2]（1-2）

式中Jt---折算至电机轴上的惯量（Kg.cm.s2）

J1、J2---齿轮惯量（Kg.cm.s2）

Js----丝杆惯量（Kg.cm.s2）W---工作台重量（N）

S---丝杆螺距（cm）

（3）计算电机输出的总力矩M

M=Ma+Mf+Mt（1-3）

Ma=（Jm+Jt）.n/T×1.02×10ˉ2（1-4）

式中Ma---电机启动加速力矩（N.m）

Jm、Jt---电机自身惯量与负载惯量（Kg.cm.s2）

n---电机所需达到的转速（r/min）

T---电机升速时间（s）

Mf=（u.W.s）/（2πηi）×10ˉ2（1-5）

Mf---导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m）

u---摩擦系数

η---传递效率

Mt=（Pt.s）/（2πηi）×10ˉ2（1-6）

Mt---切削力折算至电机力矩（N.m）

Pt---最大切削力（N）

（4）负载起动频率估算。

数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量

有很大关系，其估算公式为

fq=fq0[（1-（Mf+Mt））/Ml）÷（1+Jt/Jm）]1/2（1-7）

式中fq---带载起动频率（Hz）

fq0---空载起动频率

Ml---起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m）

若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算.

（5）运行的最高频率与升速时间的计算。

由于电机的输出力矩随着频率的

升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留

有足够的余量。

（6）负载力矩和最大静力矩Mmax。

负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）

计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与

Mt之和，并留有余量。

一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.2～0.4）Mmax.

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8、步进电机的测试

关于步进电机的好坏测试：

一般先不接驱动，手动转动电机转轴，感觉一下是否转动顺畅。

正常不说，手动转动电机轴转一圈，阻力应该是一样的。

然后再接驱动测试，控制信号是共阳方式的，PUL+接信号电源，PUL-接控制信号。

如果是共阴方式的，则PUL+接控制信号，PUL-接信号地。

如果驱动器的控制信号输入端默认是5V电平的，可以直接把PUL+接5V电源，PUL-则不断地地进行碰触测试，相当于手动方式产生脉冲;只要电机与驱动的接线是正确的，碰触时电机是会走一步的

9、步进电机的型号、参数、尺寸标准

步进电机的一些基本参数：

⑴电机固有步距角：

它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。

电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。

⑵步进电机的相数：

是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。

电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。

在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。

如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

⑶保持转矩（HOLDINGTORQUE）：

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。

⑷DETENTTORQUE：

是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。

DETENTTORQUE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