步进电机基本原理讲解

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

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，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？

定位力距或保持力矩要求？断电时螺杆须保持位置或可反向移动？

是否有尺寸限制？是否有

尺寸限制？

所期望的寿命要求是多少？所期望

的寿命要求是多少？

工作环境温度是多少？工作环

境温度是多少？

滑动轴承或滚珠轴承？固定轴

或贯通轴式？

径向载荷和轴向载荷？驱动器

的类型？

驱动器的类型？

交流同步电机

步进电机也可在交流（AC）下运行。但是，其中一相必须通过一个适当选择的电容器而得电。在这种情况下，电机限制为仅有一个同步速度。例如，如果电源频率为60赫兹，则电源有120次反向或变更。通过电容器通电的相位也按照偏移时间顺序而产生相同数量的变更。电机已按相当于240步/秒的速率真正通电。对于1.8°的旋转电机，要求200个步长来完成一个旋转

（200SPR）。这就成了72转/分（RPM）的同步电机。

对于直线电机，所产生的线性速度取决于电机每步的分辨率。例如，如果向0.001英寸/步的电机通

60赫兹的电源，则所获得的速度为0.240英寸/秒（240步/秒乘0.001英寸/步）。

驱动器

步进电机的运行需要有一些外部的电气零件。这些零件通常有电源、逻辑程序器、开关元件和时钟脉冲源，以确定步进速率。许多商用驱动器已经将这些零件组合成了一个整体。一些基本的驱动器设备仅有末级功率级，而没有可以产生适当步进顺序的电子控制器。

双极性驱动方式

对于具有四根引线的两相双极性电机，这是非常普遍的驱动方式。在一个完整的驱动器/控制器中，电子元件交替地使每相电流反向。其步进顺序见图5所示。

单极性驱动方式

该驱动方式要求每相上具有一个中间抽头（6根引线）的电