步进电机论文初

步进电机论文

前言

何为步进电机

步进电机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电机。步进电机的最大特点是其“数字性”，对于控制器发过来的每一个脉冲信号，步进电机在其驱动器的推动下运转一个固定角度(简称一步)，如下图所示。如接收到一串脉冲步进电机将连续运转一段相应距离。同时可通过控制脉冲频率，直接对电机转速进行控制。由于步进电机工作原理易学易用，成本低(相对于伺服)、电机和驱动器不易损坏，非常适合于微电脑和单片机控制，因此近年来在各行各业的控制设备中获得了越来越广泛的应用。

步进电机的种类和特点

1.1步进电机的分类

步进电机在构造上有三种主要类型：反应式(Variable Reluctance，VR)、永磁式(Permanent Magnet,PM)和混合式(Hybrid Stepping,HS)。

* 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，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

* 永磁式

永磁式步进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(一般为7.5°或15°)。

* 混合式

混合式步进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。

2.按输出转矩的大小分类：

2-1快速步进电机

电动机的输出转矩一般为0.07-4nm，可以控制小型机床的工作台，列如线切割机床。

2-2功率步进电机

电动机的输出转矩一般为5-40nm，可直接驱动机床的移动部件。

此外按励磁相数可分为三相，四相、五相、六相等，相数越多，步距角越小，但结构复杂。;按运动方式分为旋转运动、直线运动、平面运动等；按定子排列方式还可以分为径向单段式和纵向多段式，轴向式的转动惯性小，快速性和稳定性好，功率步进电机多为轴向式。

按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍(0.007°/微步)。由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。

步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为执行原件，是电器自动化的最关键的产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。例如，在仪器仪表，机床设备以及计算器的外围设备中（如打印机和绘图仪），凡是需要对转角进行精确控制的情况下，使用步进电机最为理想。随着微电子和计算器技术的发展，步进电机的需求量与日剧增，在各个国民经济领域都有应用。

上个世纪就出现了步进电机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应试步进电机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪出，由于资本主义列强争夺殖民地，造船业发展很快，同时也使得步进电机的得到长足的发展。到了80年代后，由于廉价的微型计算器一多功能的姿态出现，步进电机控制系统采用分立原件和集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量的元器件，而且一旦定型后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算器则通过软件来控制步进电机，更好的挖掘出电动机的潜力。因此，用计算器控制步进电机已经成为了一中必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。

步进电机和普通电机的不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机靠一种环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕阻按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕阻在空间中按照一定的顺序规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种越阶变化的旋转磁场，使转子步进式转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。步进电机广泛应用在生产的各个领域。他最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将脉冲信号转化成角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出的转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电机技术的发展，步进电机已经能够单独在系统上进行使用，比如，步进电机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电机可以同时完成两个

工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电机。除了在数控数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他机械上，比如作为自动送料机的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。

步进电机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大用途。伴随着不同数字化的技术的发展以及步进电机自身技术的提高，步进电机将会在更多的领域应用。

第一章步进电机的原理

根据电机能量原理，步进电机与通常的交流电机或直流电机无异，是将电能变成机械能的电磁原件。但他的运行原理等方面存在特殊性，才能在设计时灵活应用。

1.1步进电机的特点与原理（下面57系列和86系列三相步进电机为例）

主要特点

通用规格

步距精度+5%(整步、空载)

温升80°CMax

环境温度-10°C -- +50°C

绝缘电阻100MΩmin.500VDC

耐压500VAC for one minute

径向跳动

0.06 Max.(450g-load)

轴向跳动0.08 max.(450g-load) 技术规格

Model No.相

数

步距

角

保持转

矩

额定电

流

相电

感

相电

阻

引线数

量

转子惯

量

定位转

矩

电机重

量

机身

长(°) N.M A mH Ohm g.cm²Kg.cm Kg mm

573S05 3 1.2 0.45 5.2 1.4 1.3 6 110 0.21 0.4 42 573S09 3 1.2 0.9 3.5 1.7 0.8 6 300 0.4 0.75 56 573S15 3 1.2 1.5 5.2 1.35 0.9 6 480 0.68 1.1 79 *以上仅为代表性产品

外形尺寸

接线图