步进电机的基础知识

步进电机的基础知识

步进电机是一种将电脉冲信号转换成离散力学运动的机电设备。当施加适当的电脉冲指令时，步进电机旋转的轴或主轴将会以不连续的步进增量旋转。电机转动与施加的脉冲之间有几个方面的直接关系。所施加的脉冲序列决定了电机轴的旋转方向；电机的输出轴旋转的速度决定于输入脉冲的频率；电机旋转的角度决定于输入脉冲的数量。

步进电机的优点和缺点

优点：1.电机的旋转角度与输入脉冲成正比。

2.当绕组通电时，电机转矩处于完全静止状态。

3.因为良好的步进电机的准确度为3％-5％，而且不会将误差从一个步骤累计到下一步，所以步进电机能够精确定位和重复性地运动。

4.对启动/停止/换向有极好的反应。

5.因为没有接触到电机上的电刷，所以它非常可靠。电机的使用寿命仅仅依赖于轴承的寿命。

机对数字输入脉冲的响应提供了开环控制，这样使电机能够更简单和低成本的控制。

7.负载直接耦合到轴，可以实现非常低速的同步旋转。

8.当速度与输入脉冲的频率成正比，可以实现更大范围的旋转速度。

缺点：1.如果不恰当地控制可能会产生共振。

2.如果速度太快则不易操作。

开环控制：

步进电机的一个最显着的优点是它能够在开环系统中被精确地控制。开环控制是指不需要反馈有关位置的信息。这种类型的控制可以消除昂贵的传感和反馈装置的需要，例如光学编码器。只需输入步骤脉冲跟踪就能知晓您此刻所处的位置。

步进电机的类型

步进电机有三种类型，分别是：

1.可变磁阻型

2.永久磁场型

3.混合型

可变磁阻型〔VR〕

这种类型的步进电机已经存在了很长一段时间。从结构上来看，它可能是最容易理解的。图1显示出了一个典型的V.R.步进电机的截面。这种类型的电机包括一个软铁多齿的转子和一个绕定子。当定子绕组通过直流电流通电，电机磁极则被磁化。当转子齿被吸引到带电的定子极时，电机发生旋转。

永久磁场型〔PM〕

永久磁场型的步进电机通常被称为“锡罐”°至15°〔48 - 24步/转〕。永久磁场型步进电机顾名思义有永久磁铁附加的电机的结构。与可变磁阻型电机相比，这种电机的转子不再有齿。相反的，转子是随着北极和南极交替坐落于一条平行于转子轴的直线而磁化。这些磁化转子磁极为电机提供一种增加的磁通强度，因此，这种永久磁场型电机与可变磁阻型电机相比，具有更高级的转矩特性。

图1 可变磁阻型步进电机的截面

混合型〔HB〕

°°〔100 - 400步每转〕。该混合式步进电机结合了永久磁场型步进电机和可变磁阻型步进电机的优良特性。转子是像可变磁阻型电机，是多齿型的，并包含一个轴向磁化同心磁体绕着它的轴。转子上的齿提供了一条更好的路径，它有助于引导首选地点中的磁通气隙。与VR和PM型电机相比，进一步增加了锁定、控股和动态转矩的电机特性。

最常用的两种步进电机是永久磁铁型和混合型。如果设计师不知道哪种类型的步进电机最能满足他的应用需求，他应该先评估永久磁场型的电机，因为它通常是更廉价的。如果永磁型电机不适合的话，那么混合型电机可能是正确的选择。

此外，还存在着一些特殊设计的步进电机。一个是盘式的永磁步进电机，它的转子是由稀土磁铁制成的，设计得像一张光盘，如图2。该型电机有一定的优势，例如非常低惯量和一个之间没有耦合的两个定子绕组的优化的磁流路。在某些应用中，这些品质是必不可少的。

尺寸和功率

除了根据步进电机步距角分类之外，步进电机也根据电机对应的直径的整体尺寸来分类。例如，一个大小为11的步进电机的直径约1.1英寸。同样大小23的步进电机具有机身直径为2.3英寸〔58毫米〕。然而整体大小相同的步进电机由于属于不同的机型，在机身长度上可能会有变化。一般而言，某一个特定尺寸的电机的可用输出力矩会随着机身长度的增加而增加。

步进电机的驱动IC的功率范围通常由对非常小的电机的低于1瓦特到对大型电机的10-20瓦特。在电机制造商的数据里，电机的最大功耗水平和热极限很少明确提出。为了证明这一点，我们必须应用的关系为：P= V×I。例如，大小为23的步进电机，每阶段额定电压、电流为6V和1A。因此，与两个阶段通电两相电源的电机的额定功耗为12瓦。测量步进电机的热量挥发水平的通常做法是，在静止的空气中，让电机的热量上升到65°C。如果给电机安装散热装置，通常可以增加允许功耗水平。这一点很重要，因为电机的设计要求它应该在尺寸、输出功率和成本的角度来有效地利用其最大功耗。

何时使用步进电机

当受控运动必需时，步进电机可以是一个很好的选择。当需要控制旋转角度，速度，位置和同步时，步进电机的优势可以在这些应用中得到有效利用。由于自身固有的优势，步进电机在许多不同的应用中已经找到了自己的位置，包括打印机，绘图仪，高端办公设备，硬盘驱动器，医疗设备，机械，汽车等。

旋转磁场

当一相绕组的步进机电动机通以激励电流时，就会产生磁通，该磁通的方向是由“右手规则”决定的。“右手规则”规定：“如果磁力线垂直进入右手，四指所指向的方向为导线中感应电流的方向，大拇指所指向的方向则为磁场方向。”

图2显示出的磁通路径走向，B相通电时绕组电流方向如下图。转子控制自身使磁通的阻抗最小化。在这种情况下的电动机将顺时针方向旋转，这样它的南极与北极对齐的定子B在位置2，北极与南极对齐的定子B在位置6。为了让电机转动，我们现在可以看到，我们必须提供一系列的激励定子绕组，提供一个旋转的磁场场，在磁吸力的作用下，带动定子转动。

转矩代数

步进电机产生的转矩取决于几个因素：

•步进速率

•绕组的驱动电流

•驱动器设计或类型

在一个步进电机中，当转子和定子的磁通量互相交链时，转矩才发生变化。该定子是由一个高渗透性磁材料组成的。这和电子电路中电流集中在导体中的方式一样，这种高渗透性磁性材料导致了磁通量被部分地限定在定子的磁路上。这是为了把磁通量集中在定子两极。当绕组通电时，电机产生的转矩输出与磁通产生的强度成比。

磁通量与磁密的基本关系为：

H = (N ×I) ÷l，其中：N =绕组的匝数I =电流

H =磁场强度l=磁通路径的长度

这种关系说明，磁通量的强度与扭矩绕组的匝数和电流成正比，与磁通路径的长度成反比。从这个基本关系可以看出，相同的大小的步进电机，通过改变绕组参数可有不同的扭矩输出。更多关于绕组参数如何影响步进电机输出量的详细资料，可以在题为“驱动器电路基础”的应用说明中找到。

相、极和步进角

一般情况下，步进电机是两相的，但三相和五相电机也是存在的。双极电机有两相，每一相有一个绕组。单极电机也有两相，每相有一个绕组，只是每相绕组多了一个中心抽头。有时单极步进电机被称为一个“四相电机“，尽管它只有两