步进电机结构原理及选型步骤方法Word下载.docx

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、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。

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。

二、步进电机的优缺点

主要优点

1、电机旋转的角度正比于脉冲数；

2、电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；

3、由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；

4、优秀的起停和反转响应；

5、由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；

6、电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本；

7、仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转；

8、由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。

主要缺陷

1、如果控制不当容易产生共振；

2、难以运转到较高的转速；

3、难以获得较大的转矩；

4、在体积重量方面没有优势，能源利用率低；

5、超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。

三、步进电机的构造及工作原理

1、步进电机构造

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、永磁磁钢3部分构成。

此外，转子已被轴向磁化，转子1为N极时，转子2则为S极。

定子拥有10个小齿状的磁极，皆绕有线圈。

其线圈的对角位置的磁极相互连接着，通电时，线圈即会被磁化成同一极性。

（例如对某一线圈进行通电后，对角线的磁极将磁化成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。

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。

励磁：

是指电动机线圈通电时的状态

磁极：

是指励磁后变成电磁铁的定子突出部分

小齿：

是指转子和定子的小齿

2、步进电机工作原理

接下来针对实际上经过磁化后的转子及定子的小齿的位置关系进行说明。

●将A相励磁时

将A相励磁，会使得磁极磁化成S极，而其将与带有N极极性的转子1的小齿互相吸引，并与带有S极极性的转子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极极性的转子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。

●将B相励磁时

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极极性的转子2互相吸引，而与拥有N极极性的转子1相斥。

也就是说，将励磁相从A相励磁转换至B相励磁时，转子旋转0.72º

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。

做正确的旋转。

此外，希望作反方向旋转时，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。

0.72º

的高分辨率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定位。

此外，就停止精度而言，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因素会造成影响，因此可获得±

3分（空载时）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，而励磁相的转换定时则是由输入驱动器的脉冲信号所进行。

以上举的是单相励磁的例子，实际运转时，为了有效利用线圈，4相或5相同时进行励磁。

四、步进电机的基本特性

使用步进电动机时，电动机的特性是否符合使用条件，是相当重要的一点。

步进电动机的特性可大略分为两项。

·

动特性：

这是与步进电动机起动或旋转时有关的特性，主要会影响机器的工作、周期时间等。

静特性：

这是与步进电动机停止时角度变化有关的特性，主要会影响机器的精度。

1、动特性

1.1转速一转矩特性

这是表示驱动步进电动机时的转速和转矩的关系，如特性图所示。

是选用步进电动机时所必须考虑的特性。

横轴代表电动机输出轴的转速，而纵轴则代表转矩。

转速一转矩特性取决于电动机及驱动器，因使用的驱动器种类不同会有较大差异。

①保持转矩（TH：

HoldingTorque）

是指步进电动机在通电状态（额定电流）下停止时，本身保有的最大保持转矩（保持力）。

②最大同步转矩（PulloutTorque）

各转速所能产生的最大转矩。

选用电动机时，必要转矩必须在本曲线的内侧。

③最大自起动频率（fs）

步进电动机的摩擦负载、惯性负载为0时，瞬间（无加减速时间）能起动、停止的最大脉冲频率。

当在超过此脉冲频率的情况下驱动电动机时，应逐渐进行加减速。

随电动机承载的惯性负载增加，此频率亦逐渐降低。

（请参考惯性负载一自起动频率特性）

最大响应频率（fr）：

步进电动机的摩擦负载、惯性负载为0时，进行缓慢的加减速时可运行的最大脉冲频率。

下图为代表5相步进电动机组合产品的转速一转矩特性。

1.2惯性负载一自起动频率特性

表示因自起动频率的惯性负载而产生变化的特性。

步进电动机的转子本身或负载，因有转动惯量存在，因此于瞬时起动或停止时，电动机轴会产生延迟或超过的现象。

此数值会随脉冲频率而变化，但是若超过某一数值时电动机将无法跟踪脉冲频率，而产生失步（miss-step）现象。

将即将失步前的脉冲频率称为自起动频率。

相对于惯性负载的最大自起动频率的变化可以根据下列公式算出近似值。

1.3振动特性

步进电动机以连续的步距状态边移动边重复旋转。

其步距状态的移动会产生如下所示的1步距响应。

①停止状态的步进电动机输入1个脉冲时，会朝下一个步距角进行加速。

②加速后的电动机通过步距角并过冲某个角度后，则会朝反方向被拉回。

③如此般衰减振动后，将于既定的步距角度位置上停止下来。

产生此一衰减振动的步距状态的移动即为低速旋转时的振动原因。

振动特性所表现的即是步进电动机旋转中的振动的大小的特性。

振动幅度越小旋转越顺畅。

2.静特性

2.1角度一转矩特性

将电动机以额定电流励磁，并由外部朝电动机转轴施加转矩，使得转子角度产生变化，此时角度与转矩的关系称为角度一转矩特性。

下图即其特性的表示。

将上示特性图中各点上的定子与转子的小齿的位置关系表示为如下图。

在稳定点①平衡并停止时，向电动机转轴施加外力，则会向左产生欲将之拉回稳定点①的转矩T（+）．并于与外力取得平衡的角度上停止。

②继续增加外力时，即会有一角度的发生转矩达到最大。

此时所发生转矩称为保持转矩TH。

③施加超过此转矩的外力时，就会通过不稳定点⑤，并产生与外力同方向的转矩T（-），而往下一个稳定点①移动后停止。

稳定点：

是指定子与转子的小齿于完全相对的位置而停止的点。

此点非常稳定，当外力为0时一定会于此点上停止。

不稳定点：

是指定子与转子的小齿互相错开1/2螺距的位置。

此为非常不稳定的状态，施加细微外力就会使转子往左边或右边的稳定点移动。

2.2角度精度

步进电动机在空载状态时，将保持+3分（0.05。

）以内的角度精度。

此一些微的角度误差的原因主要是来自转子与定子的机械精度以及定子线圈上些微的电阻的不同所造成的。

步进电动机的角度精度一般是以下列的静止角度误差来表示。

静止角度误差：

是指转子在理论上和实际上停止位置的差距。

此差距所代表的是将转子的任意停止位置作为出发点，以每1步距测量360º

时的（+）最大值及

（一）最大值之间的宽幅。

虽然静止角度误差在±

3分以内，然而这是在无负载条件下的数值。

但是，实际的用途上必然有摩擦负载的存在。

此时，角度精度会依据角度一转矩的特性，根据摩擦负载的不同而产生角度变位。

当摩擦负载一定时，若朝同一方向运行则变位角度一定，但若从正反两方向运行，则往返间将产生两倍的变位角度。

因此若需要停止精度时，务必只朝单一方向进行定位。

五、步进电要选型要素

以上是一些步进电机原理知识，具体选型主要考虑以下几方面：

两要素：

力矩匹配&

惯量匹配

1、力矩匹配

a.安全系数

考虑到计算误差和装配精度，力矩应保证2倍以上安全率。

b.最高转速

考虑步进力矩随速度升高而衰减马达选型时，必要转矩必须在马达运行曲线以下。

2、惯量匹配

a.负载转动惯量不应超过马达转动惯量10倍。

b.惯量比过大时，则起动、停止时的过冲和回冲亦变大，因而会影响起动、稳定时间。

c.当负载惯量过大时，需减小加载到马达转轴的惯量。

3、减小负载惯量的方法

a.改变负载驱动方式

驱动相同负载，滚珠螺杆驱动与同步轮拖动相比，转动惯量会小很多

b.在马达转轴和负载连接时增加减速机构

使用1：

10减速步进电机时，能驱动的负载转动惯量将成平方增加，变为原负载惯量的100倍，此方法最常用。

4、常用机构力矩计算方法

5、电机运行转矩图

6、常见结构惯量计算方式

以上是我们在《步进电机选型计算》总结的一些使用技巧，希望对大家所有帮助，如果大家需要更多的一些关于《步进电机选型计算》或其它《非标设备设计和标准件选型计算》的学习资料和视频教程，可以进行相关资料下载和学习咨询。

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