步进电机制动原理

步进电机基础入门

东方马达中国总公司朱华

摘要：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

关键词：脉冲控制永磁励磁

一、步进电机的构造（以5相步进为例）

步进电机的构造主要采用图示的方式进行讲解：

步进电动机构造上大致分为定子与转子两部分。转子由转子1、转子2、永久磁钢等3 部分构成。而且转子朝轴方向已经磁化，转子1 为N 极时，转子2 则为S 极。

定子拥有小齿状的磁极，共有10个，皆绕有线圈。其线圈的对角位置的磁极相互连接着，电流流通后，线圈即会被磁化成同一极性。（例如某一线圈经由电流的流通后，对角线的磁极将同化成S 极或N 极。）对角线的2个磁极形成1个相，而由于有A相至E 相等5个相位，因此称为5 相步进电动机。

系统构成图示

转子的外圈由50个小齿构成，转子1 和转子2 的小齿于构造上互相错开1/2 螺距。由此转子形成了100个小齿。目前已经有转子单个加工至100齿的高分辨率型，那么高分辨率型的转子就有200个小齿。因此其机械上就可以实现普通步进电机半步(普通步进电机半步需要电气细分达到)的分辨率。

电动机构造图2∶与转轴成垂直方向的断面图

二、步进电机的运转原理。

实际上经过磁化后的转子及定子的小齿的位置关系，在此说明如下。首先解释励磁，励磁就是指电动机线圈通电时的状态。

●A相励磁

将 A 相励磁，会使得磁极磁化成S 极，而其将与带有N极磁性的转子 1 的小齿互相吸引，并与带有S极磁性的转子2 的小齿相斥，于平衡后停止。此时，没有励磁的B 相磁极的小齿和带有S极磁性的转子 2 的小齿互相偏离0.72°。以上是A 相励磁时的

定子和转子小齿的位置关系。

●B相励磁

其次由A 相励磁转为B 相励磁时，B 相磁极磁化成N 极，与拥有S极磁性的转子2 互相吸引，而与拥有N极磁性的转子1 相斥。

也就是说，从A 相励磁转换至B 相励磁时，转子转动0.72°。由此可知，励磁相位随A相→B相→C相→D相→E相→A相依次转换，则步进电动机以每次0.72°做正确的转动。同样的，希望作反方向转动时，只需将励磁顺序倒转，依照A相→E相→D 相→C相→B相→A相励磁即可。

0.72°的高分辨率，是取决于定子和转子构造上的机械偏移量，所以不需要编码器等传感器即可正确的定位。下图就5相步进每次的位移量是0.72°进行更详细的说明:

由于第一组定子正好与转子相对应吸引。就势必会导致第二组定子与对应的转子相偏离（定子与转子齿距一样，但是各自所在的2个圆不一样大）。而这个偏离值正好是齿距的十分之一。因此普通5相步进的步距角为：360°/50齿/10=0.72°

高分辨率5相步进的步距角为：360°/100齿/10=0.36°

另外，就停止精度而言，会影响的只有定子与转子的加工精度、组装精度、及线圈的直流电阻的不同等而已，因此可获得±3 分（无负载时）的高停止精度。实际上步进电动机是由驱动器来进行励磁相的转换，而励磁相的转换时机则是由输入驱动器的脉冲信号所进行。以上举的是1相位励磁的例子，实际运转时，为有效利用线圈同时进行4相或5相励磁的。

三、步进电动机的特征

1、运转需要的三要素：控制器、驱动器、步进电动机

以上三部分是步进电机运转必不可少的三部分。控制器又叫脉冲产生器，目前主要有PLC、单片机、运动板卡等等。

2、运转量与脉冲数的比例关系

3、运转速度与脉冲速度的比例关系

4、本身具有保持力

步进电机只有在通电状况下，才具备自我保持力。在停电状况下，自我保持力消失。

因此在升降设备传动时，务必使用附电磁刹车型步进电机。

四、结束语

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下就能使用。它必须由脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。但是万丈高楼平地起，

从步进电机的基础开始学习，无疑为将来的应用打好扎实的基础。