步进电机基本原理

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

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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。

32樹柏血机的单榊通岖歩进时

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。由于两相一直通电，本方法比“单相通电”

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步进多提供了41.1%的力矩，但输入功率却为

2

倍

图3附J电机的毗柑通葩儿进繼庁

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%勺力矩损失（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

a Step 2 Ph阴申A

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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，

^3 Step 6 PhMt A

Step 2

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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。

步进

Q2々3 QI 々4 Q6p7 Q5-QS 1 ON OFF ON OFF 2 OFF ON ON OFF 3 OFF ON OFF ON 4 ON OFF OFF ON T

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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。

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

CD

" 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（3 /t）n6 K

其中：I=惯量，单位：g-cm2

3=步进速率，单位：步数/秒

t =时间，单位：秒

8=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，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