步进电机基本原理

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1、步进电机基本原理　电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是精确的，并可重复，这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原因。步进电机基本原理　电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是精确的，并可重复，这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原因。　　永磁步进电机包括一个永磁转子、线圈绕组和导磁定子。激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极，见图1所示。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的

2、旋转运动。　　图2显示了一个两相电机的典型的步进顺序。在第1步中，两相定子的A相通电，因异性相吸，其磁场将转子固定在图示位置。当A相关闭、B相通电时，转子顺时针旋转90°。在第3步中，B相关闭、A相通电，但极性与第1步相反，这促使转子再次旋转90°。在第4步中，A相关闭、B相通电，极性与第2步相反。重复该顺序促使转子按90°的步距角顺时针旋转。　　图2中显示的步进顺序称为“单相激励”步进。更常用的步进方法是“双相激励”，其中电机的两相一直通电。但是，一次只能转换一相的极性，见图3所示。两相步进时，转子与定子两相之间的轴线处对直。由于两相

3、一直通电，本方法比“单相通电”步进多提供了41.1%的力矩，但输入功率却为2倍。半步步进　　电机也可在转换相位之间插入一个关闭状态而走“半步”。这将步进电机的整个步距角一分为二。例如，一个90°的步进电机将每半步移动45°，见图4。但是，与“两相通电”相比，半步进通常导致15%～30%的力矩损失（取决于步进速率）。在每交换半步的过程中，由于其中一个绕组没有通电，所以作用在转子上的电磁力要小，造成了力矩的净损失。双极性绕组　　双相激励介绍了利用一种“双极性线圈绕组”的方法。每相用一个绕组，通过将绕组中电流反向，电磁极性被反向。典型的两相双

4、极驱动的输出步骤在电气原理图和图5中的步进顺序中进一步阐述。按图所示，转换只利用绕组简单地改变电流的方向，就能改变该组的极性。单极性绕组　　另一常用绕组是单极性绕组。其一个电极上有两个绕组，这种联接方式为当一个绕组通电时，产生一个北极磁场；另一个绕组通电，则产生一个南极磁场。因为从驱动器到线圈的电流不会反向，所以可称其为单极绕组。该步进顺序见图6所示。该设计使得电子驱动器简单化。但是，与双极性绕组相比，其力矩大约少30%，因为励磁线圈仅被利用了一半。共振　　由于电机是一个弹性体系统，所以步进电机有一个固有谐振频率。当步进速率等于电机的固

5、有频率时，电机可能会产生听得见的噪音变化，同时振动增加。共振点将随应用场合和负载而变化，但共振点通常出现在70～120步/秒之间的某一位置。在严重情况下，电机在振荡点附近可能会失步。改变步进速率是避免系统中与共振有关的许多问题的最简单的方式。另外，半步或微步驱动通常也可以减少共振问题。当加减速时，要尽可能快地越过共振区。力矩　　一个特定的旋转步进电机所产生的力矩是下述参数的函数：　　●步进速率　　●通过绕组的电流　　●所使用的驱动器的种类（直线电机所产生的力也取决于这些因素。）　　　力矩是摩擦力矩（Tf）和惯性力矩（Ti）之和。　　　　

6、　　　　　　　　　　　　T=Tf+Ti　　摩擦力矩（oz-in或g-cm）为所要求移动一个载荷的力（单位为oz或g）乘上用于驱动载荷的力杆臂（r）的长度（单位为了in或cm）（见图8所示）。　　　　　　Tf=F.r　　惯性力矩（Ti）为所要求用于加速负载（单位为：g-cm2）的力矩。　　　　　　　　　　　　　Ti=I(ω/t)πθK　　其中：Ｉ＝惯量，单位：g-cm2　　　　　ω＝步进速率，单位：步数／秒　　　　　t＝时间，单位：秒　　　　　θ＝步距角度，单位：度　　　　　Ｋ＝常数：97.73　　应该注意到的是：当电机的步进速率增加时，

7、电机的反向电动势（EMF）也增加。其限制了电流，并导致可使用的输出力矩的减少。　　选择适当的电机　　为了选择适当的电机，必须考虑几种因素。是要求线性运动还是要求旋转运动？以下为选择一个电机时应考虑的一些基本要求的清单。这将有助于确定是否要使用一个直线电机，还是要使用一个旋转电机。　　旋转电机　　　　　　　　　　　　　　　　　　直线电机　　要求多大力矩？　　　　　　　　　　　　　　　要求多大力？　　工作周期是多少？　　　　　　　　　　　　　　工作周期是多少？　　所希望的步距角是多少？　　　　　　　　　　　所希望的步进增量是多少？　　步进速

8、率或转速（RPM）是多少？　　　　　　　步进速率或行程速度是多少？　　双极性或单极性线圈？　　　　　　　　　　　　双极性或单极性线圈？　　线圈电压？　　　　　　　　　　　　　　　　　线圈电压？　　定位力距或