学习笔记二、步进电机原理及其使用说明_步进电机的空载电流比带负载电流

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，但步进电机并不能像普通的直流电机、交流电机在常规下使用，它必须由双环形的脉冲信号、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。

以感应子式步进电机为例：

二、感应子式步进电机原理：

（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组，其几何轴线依次分布与转子齿轴线错开。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相同）。

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分布通电状态，齿4（即齿1前一齿）移动到A相电机转子向右转了一个齿距，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，甚至于通过两相电流不同的组合，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相励磁绕组，其轴线分别与转子齿轮线偏移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-----这就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Φ）当转子与定子错开一定角度产生力F与（dΦ /dθ)成正比

其磁通量Φ = Br * S；Br为磁密度；S为导磁面积；F 与 L * D *Br成正比；L为磁芯有效长度；D为转子直径；Br = N * I /RN ; I为励磁绕组安匝数（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 * 磁密度 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，而定子激磁只需要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、噪声低、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）完全可以采用二相八拍运行方式，不难发现其条件为C=A`,D=B`。

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两相，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，即可以作四相电机使用，也可以作两相电机绕组串联或并联使用。

2、分类

感应子式步进电机以相数可分为：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、11BYG（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。

3、步进电机的静态指标术语

相数：产生不同对极N、S磁极的励磁线圈对数。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应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°（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。四相运行时步距角为θ = 360°/（50*4） = 1.8°（俗称整步）。八拍运行时步距角为θ = 360°/（50*8） = 0.9 °（俗称半拍）。

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）。

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。

虽然静转矩为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。

4、步进电机动态指标及术语

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，如图所示：.

其他特性还有惯性特性、起动频率特性。

电机一旦选定，电机的静力矩确定，动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于运行时的平均电流（非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。如下图：

其中，曲线3电流最大，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，使采用小电感大电流的电机。

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180-50pps（步距角1.8°）或在400pps左右（步距角0.9°），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪声降低，一般工作点均应偏移共振区较多。

8、电机正反转控制：当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB时为反转。

三、驱动控制系统组成

使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，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，占空比越大。

2、信号分配