步进电机

2.1、结构 步进电机主要由两部分构成：定子和转子。均由磁 性材料构成。
定子
组 成
——由硅钢片叠成, 有一定数量的磁极 和绕组
转子 ——用硅钢片叠成或 用软磁性材料
定、转子铁心由软磁材料或硅钢片叠成凸极结构， 定、转子磁极上均有小齿，定、转子的齿数相等。 转子上相邻两齿间的夹角称为齿距角
2.2、电机转动的工作原理
一个可供参考的经验值：步进电机驱动器的输入电压一 般设定在步进电机额定电压的3~25倍。建议：57机座电机 采用直流24V-48V，86机座电机采用直流36-70V,110机座电 机采用高于直流80V。
5.电机的选型计算过程
选择电机一般应遵循以下步骤：
1. 电机最大速度选择
2. 电机定位精度的选择
二、三相单双六拍 三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。 工作过程：
A B'
4 1
C'
2
C
3
B
A' A相通电，转子1、3齿和A相对齐。
A、B相同时通电
A B' C A'
（1）BB' 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针 方向转动。 （2）AA' 磁场继续对1、3齿有拉力。 所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA' 通电， 转子转了15°。
步进电机
张志忠
目录
1.步进电机介绍
1.1、介绍 步进电机相对普通电机来说，可实现开环控制。但是 不适合使用在长时间同方向运转的情况，容易烧坏产 品，即使用时通常都是短距离频繁动作较佳。步进电 机配合驱动器使用，很多驱动器都支持细分功能，即 实现很小的步进角，控制更精确。控制精度为步进角 的3%~5%。
A C' B
B'
C' B
A'
C
A'
C
B相通电，转子2、4齿和B
相轴线对齐，相对A相通电 位置转30；
C相通电再转30
这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一 个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。 三相单三拍的特点： （1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为步距角， 用S表示。 （2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通 电顺序即可改变转向。
A B' C
C'
B
A'
工作方式为三相双三拍 时，每通入一个电脉冲， 转子也是转 30，即 S = 30。
CA通电
以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三 相单三拍稳定，因此较常采用。
步距角 步进电机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角。
360 S Zr N
如：Zr=40 ,
保持转矩：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁 住转子的力矩。
步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移 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。
定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的 锁定力矩。
失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步 数。
(rad / s2)
式中：TL为系统外力折算到电机上的力矩； 为传动系统的效率
T ( J TL ) /
6.电机输出轴的结构形式
1、平键 2、圆轴（过盈配合、联轴器）
7. 主要品牌
1、国外
日系：信浓、东方、山社、山洋
韩系：奥托尼克斯
欧系：百格拉等
日本信浓是全球最大的混合式步进电机生产厂家，约占全 球30%的市场份额。产品尺寸从28电机到86电机，产品种 类多品种全，同样尺寸的产品也有不同系列产品来对应客 户多方面的要求。 德国百格拉公司1934年以来一直致力于步进电机的研究。 该公司于1973年发明了五相混合式步进电机及其驱动器， 克服了两相步进电机振动噪音大、只能用于简单应用场合 的缺点。于1993年又推出了性能更加优越的三相混合式步 进电机，该步进电机吸取五相电机的优点，与其配套的驱 动器采用了交流伺服电机驱动器工作方式，这种电机系统 彻底解决了传统步进电机低速爬行、有共振区、噪音大、 高速扭矩小、起动频率低和驱动器可靠性差等缺点，因此 被称为具有交流伺服电机运行特性的步进电机系统。
C' B
B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。
A
B'
C' B
A'
C
总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六 拍，步距角为15。
三、三相双三拍 三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。
A B' C A' C' B B' C
A C' B
A'
AB通电
BC通电
N:一个周期的运行拍数,即通电状态
循环一周需要改变的次数 Zr：转子齿数
360 N=3 时 S 3 40 3
1 单拍制
拍数：N=km
m:相数 k= 2 双拍制
转 速 每输入一个脉冲，电机Βιβλιοθήκη Baidu过
360 S Zr N
即转过整个圆周的1/(ZrN）, 也就是1/(ZrN）转 因此每分钟转过的圆周数，即转速为
由于细分驱动器要精 确控制电机的相电流， 所以对驱动器要有相 当高的技术要求和工 艺要求，成本亦会较 高。
步进电机的细分技术主要目的是减弱或消除步进电机的 低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附 带功能。细分后电机运行时的实际步距角是基本步距角 的几分之一。细分数越高，电流越平滑，电机转动就越 平稳。驱动器一般都具有细分功能，常见的细分倍数有： 1/2，1/4，1/8，1/16等； 细分后步进电机步距角按下列方法计算：
永磁式：永磁式电机的转子用永磁材料制成，转子 的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、 输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大 反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结 构简单、成本低、步距角小，但动态性能差、效率 低、发热大，可靠性难保证
混合式：混合式电机综合了反应式和永磁式的优点 ，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转 子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点 是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复 杂、成本相对较高
3. 电机力矩选择
1、电机最大速度选择 步进电机最大速度一般在600～1200 rpm 交流伺服电机额定速度一般在3000 rpm，最大转速 5000rpm 机械传动系统要根据此参数设计
2、电机定位精度的选择
机械传动比确定后，可根据控制系统的定位精度选 择步进电机的步距角及驱动器的细分等级。一般选 电机的一个步距角对应于系统定位精度的1/2 或更 小。
1.4、特点
(1)来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变转动方向。 (4)角位移量或线位移量与电脉冲数成正比
(5)误差不累积
2.步进电机组成结构原理
2.1、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。
共阳极接法
共阴极接法
差分方式接法
3、细分
细分主要是改善电机的运行性能：步 进电机的细分控制是由驱动器精确控 制步进电机的相电流来实现的，以二 相电机为例，假如电机的额定相电流 为3A，如果使用常规驱动器驱动该电 机，电机每运行一步，其绕组内的电 流将从0突变为3A或从3A突变到0，相 电流的巨大变化，必然会引起电机运 行的振动和噪音。如果使用细分驱动 器，在10细分的状态下驱动该电机， 电机每运行一微步，其绕组内的电流 变化只有0.3A而不是3A，且电流是以 正弦曲线规律变化，这样就大大的改 善了电机的振动和噪音，因此，在性 能上的优点才是细分的真正优点。
4.电机的位置、速度、力矩 控制方法
控制输入给步进电机的脉冲数目可以控制步进电 机的角位移
控制输入给步进电机的脉冲的频率可以控制步进 电机的转速
控制步进电机定子绕组的通电顺序可以控制步进 电机的转动方向
电压和电流与转速、转矩的关系
步进电机一定时，供给驱动器的电压值对电机性能影响 大，电压越高，步进电机能产生的力矩越大，越有利于需 要高速应用的场合，但电机的发热随着电压、电流的增加 而加大，所以要注意电机的温度不能超过最大限值。
C'
2
1 3 A'
磁通经转子形成闭合回路。
C
B
若转子和磁场轴线方向原
有一定角度，则在磁场的 作用下，转子被磁化，吸
引转子，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合， 因此会在磁力线扭曲时产生切向力而形成磁阻转矩， 使转子转动，使转、定子的齿对齐停止转动。
A 相通电使转子1、3齿和 AA' 对齐。
A
B'
3. 电机力矩选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先 确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负 载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。直接起动 时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主 要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般 情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一 旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸） 转动惯量计算
2 J r 物体的转动惯量为： dV
式中：dV为体积元，
为
物体密度，r为体积元与转轴的距离。单位：kgm2
加速度计算 控制系统要定位准确，物体运动必须 有加减速过程，如图所示。
已知加速时间 t 、最大速度Vmax，
max 可得电机的角加速度： t 电机力矩计算 力矩计算公式为：
2、国内
国产：鸣志、运控、雷赛、研控、白山等等，鸣志是合 资上市企业，主要做国外市场，运控是全球步进电机前 五的厂家，已新三板上市，绝大部分国内驱动器厂家的 电机都是外包代工。 国外最差的卖给中国，国内“最好”的卖给海外。
8.电机驱动器控制原理
1、常见的步进电机驱动器
2、步进电机驱动器接线方法 共阳极接法、共阴极接法和差分方式接法
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。 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 。
3.电机的刹车方法
带电磁制动步进电机又名刹车步进电机。步进电 机本身有保持力矩，利用电机的保持力矩在通电 的情况下可以锁死电机，即相当于刹车了。但如 果步进电机保持力矩还不够大，需要更大的锁死 力矩，或者停电后步进电机失去保持力矩的情况 下可以考虑使用配刹车器的步进电机。
60 f 60 f 360 s n f Zr N 360Z r N 6
(r / min)
步距角一定时，通电状态的切换频率越高，即脉冲频率越高 时，步进电动机的转速越高。脉冲频率一定时，步距角越大、 即转子旋转一周所需的脉冲数越少时，步进电动机的转速越 高。
2.4、电机的主要性能指标 相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有两相 、三相、五相步进电机。 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状 态，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。
错齿是步进电动机旋转的根本原因
2.3、工作方式
步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、 三相双三拍等。
一、三相单三拍 （1）三相绕组联接方式：Y 型
（2）三相绕组中的通电顺序为：
A 相 B 相 C 相
通电顺序也可以为： A 相 C 相 B 相
（3）工作过程 A
B' 4
A 相通电，A 方向的
1.2、内部结构
1.3、步进电动机的种类： 按照力矩产生原理分类 ：永磁式、反应式、混合式 按照定子数目分类 ：单定子、双定子、多定子 按照定子励磁相数分类：三相、四相、五相、六相
按照各相绕组的分布规律分类 ： 径向分相 (垂轴式)、轴向分相(顺轴式)
按机座尺寸分：39、42、57、86、110
普通步进电机断电不会自锁，上电才会自锁，要 实现断电自锁，需在步进电机尾部加装一个刹车 装置，并且并联在步进装置的电路上，电机上电 时，抱闸也上电，刹车装置脱离步进电机输出轴， 电机正常运转，当断电时，刹车释放紧紧抱住电 机轴。
刹车步进电机主要适合垂直运动的传动，当步进 电机断电时，刹车瞬间启动，起到固定电机轴的 作用，解决步进电机断电时电机仍可以维持锁死 状态，目前57，86，110系列两相或三相电机都可 以装刹车装置 刹车步进电机现在在多轴联动机械手、自动化设 备、夹具冶具等方面广泛应用。如：全自动点胶 机、雕刻机、自动分板机、自动焊锡机、半导体 设备，包装机械，纺织机械，数控机床，生物分 析检测仪器，各种工作站，光学检测设备，激光 调焦设备，拉锥机，汽车检测等自动化设备。