步进电机原理及使用说明.docx

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步进电机原理及使用说明

步进电机原理及使用说明

一、前言

2.4.1步进电机概述

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。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、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。

步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

给定一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称作该步进电机的步距角。

目前常用步进电机的步距角大多为1.8度（俗称一步）或0.9度（俗称半步）。

以步距角为0.9度的进步电机来说，当我们给步进电机一个电脉冲信号，步进电机就转过0.9度；给两个脉冲信号，步进电机就转过1.8度。

以此类推，连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。

由于电脉冲信号与步进电机转角存在的这种线性关系，使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；

反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。

反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。

它又分为两相和五相：

两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。

这种步进电机的应用最为广泛，

步进电机的使用至少需要三个方面的配合，一是电脉冲信号发生器，它按照给定的设置重复为步进电机输送电脉冲信号，目前这种信号大多数由可编程控制器或单片机来完成；二是驱动器（信号放大器），它除了对电脉冲信号进行放大、驱动步进电机转动以外，还可以通过它改善步进电机的使用性能，事实上它在步进电机系统中起着重要的作用，一般一种步进电机可以根据不同的工况具有多种驱动器；三是步进电机，它有多种控制原理和型号，现在常用的有反应式、感应子式、混合式等。

步进电机的速度控制是通过输入的脉冲频率快慢实现的。

当发生脉冲的频率减小时，步进电机的速度就下降；当频率增加时，速度就加快。

还可以通过频率的改变而提高步进电机的速度或位置精度。

步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的。

给定一个脉冲，转过一个步距角，当停止的位置确定以后，也就决定了步进电机需要给定的脉冲数。

步进电机的主要特点：

1、可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。

2、位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度的组成闭环控制系统。

3、无刷，电动机本体部件少，可靠性高。

4、易于起动，停止，正反转及速度响应性好。

5、停止时可有自锁能力。

6、步距角可在大范围内选择，在小步距情况下，通常可以在超低转速下高转距稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载。

7、速度可在相当宽范围内平滑调节，同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。

8、步进电动机带惯性负载能力较差。

9、由于存在失步和共振，步进电机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化。

10、需要专用的伺服控制器控制，不能直接使用普通的交直流电源驱动。

11、一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

12、步进电机外表允许的最高温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

13、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。

在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

14、步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进电机有一个技术参数：

空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。

在有负载的情况下，启动频率应更低。

如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。

伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到

二、感应子式步进电机工作原理

（一）反应式步进电机原理

由于反应式步进电机工作原理比较简单。

下面先叙述三相反应式步进电机原理。

1、结构：

    电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。

0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：

 2、旋转：

    如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。

    如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。

如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。

　 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て

    这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。

如按A，C，B，A……通电，电机就反转。

    由此可见：

电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。

而方向由导电顺序决定。

    不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。

往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。

甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。

   不难推出：

电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……（m-1）/m,1。

并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。

只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。

3、力矩：

    电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力F与（dФ/dθ）成正比

S

其磁通量Ф=Br*S  

Br为磁密，S为导磁面积      

             F与L*D*Br成正比

             L为铁芯有效长度，D为转子直径

             Br=N·I/R

N·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。

力矩=力*半径

力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态）

因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。

（二）感应子式步进电机

1、特点：

     感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。

因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。

     感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。

一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。

（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。

例如：

四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=

D=

.

一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。

2、分类

     感应子式步进电机以相数可分为：

二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。

以机座号（电机外径）可分为：

42BYG（BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。

3、步进电机的静态指标术语

相数：

产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。

常用m表示。

拍数：

完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.

步距角：

对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。

θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。

四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

定位转矩：

电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）

静转矩：

电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。

此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

   虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

4、步进电机动态指标及术语：

1、步距角精度：

   步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。

用百分比表示：

误差/步距角*100%。

不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。

2、失步：

   电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。

称之为失步。

3、失调角：

   转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

4、最大空载起动频率：

   电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。

5、最大空载的运行频率：

   电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。

6、运行矩频特性：

   电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。

如下图所示：

 其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。

   电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。

如下图所示：

其中，曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。

要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。

7、电机的共振点：

   步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。

 8、电机正反转控制：

  当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或（

）时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB或（

）时为反转。

三、驱动控制系统组成

  使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：

1、脉冲信号的产生。

   脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。

2、信号分配

   我厂生产的感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：

二相四拍为

步距角为1.8度；二相八拍为

步距角为0.9度。

四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,（步距角为0.9度）。

3、功率放大

   功率放大是驱动系统最为重要的部分。

步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。

平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。

因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：

恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。

   为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。

我厂生产的SH系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下：

说明：

   CP     接CPU脉冲信号（负信号，低电平有效）

   OPTO    接CPU+5V

   FREE     脱机，与CPU地线相接，驱动电源不工作

   DIR      方向控制，与CPU地线相接，电机反转

   VCC     直流电源正端

   GND      直流电源负端   

     A       接电机引出线红线

      接电机引出线绿线 

    B       接电机引出线黄线

      接电机引出线蓝线

     步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。

步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。

电压对力矩影响如下：

 4、细分驱动器

    在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。

四、步进电机的应用

（一）步进电机的选择

  步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。

一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

1、步距角的选择

   电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。

电机的步距角应等于或小于此角度。

目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。

2、静力矩的选择

   步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。

静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。

单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。

直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。

一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）

3、电流的选择

   静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）

     综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：

4、力矩与功率换算

   步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：

               P=Ω·M

                 Ω=2π·n/60

                  P=2πnM/60

    其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米

              P=2πfM/400（半步工作）

    其中f为每秒脉冲数（简称PPS）

（二）、应用中的注意点

   1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS），最好在1000-3000PPS（0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。

   2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。

   3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值，可根据驱动器选择驱动电压（建议：

57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。

   4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。

   5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。

  6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。

   7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。

   8、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。

    9、应遵循先选电机后选驱动的原则。

五、其他说明

    有关低频振动、升降速、机械共振、工作往复运动的误差、平面圆弧X、Y插补误差以及其他问题。

具体解决办法恕不便在此叙述，我厂用户可来电咨询，可根据具体情况解决。

   不同厂家的电机在设计、使用材料及加工工艺方面差别很大，选用步进电机应注重可靠性而轻性能、重品质而轻价格。

AT89C2051驱动步进电机的电路和源码

电路如图所示：

　　　　　　　　程序

stepper.c

stepper.hex

/*

*STEPPER.C

*sweepingstepper'srotorcwandcww400steps

*Copyright（c）1999byW.Sirichote

*/

#includec:

\mc51\8051io.h/*includei/oheaderfile*/

#includec:

\mc51\8051reg.h

registerunsignedcharj,flag1,temp;

registerunsignedintcw_n,ccw_n;

unsignedcharstep[8]={0x80,0xc0,0x40,0x60,0x20,0x30,0x10,0x90}

#definen400

/*flag1maskbyte

0x01runcw（）

0x02runccw（）

*/

main（）

{

flag1=0;

serinit（9600）;

disable（）;/*noneedtimerinterrupt*/

cw_n=n;/*initialstepnumberforcw*/

flag1|=0x01;/*initialenablecw（）*/

while

（1）{

{

tick_wait（）;/*waitfor10mselapsed*/

energize（）;/*round-robinexecutionthefollowingtasksevery10ms*/

cw（）;

ccw（）;

}

}

}

cw（）{

if（（flag1&0x01）!

=0）

{

cw_n--;/*decrementcwstepnumber*/

if（cw_n!

=0）

j++;/*ifnotzeroincrementindexj*/

else

{flag1&=~0x01;/*disablecw（）execution*/

ccw_n=n;/*reloadstepnumbertoccwcounter*/

flag1|=0x02;/*enablecww（）execution*/

}}}

ccw（）{

if（（flag1&0x02）!

=0）

{

ccw_n--;/*decremnentccwstepnumber*/

if（ccw_n!

=0）

j--;/*ifnotzerodecrementindexj*/

else

{flag1&=~0x02;/*disableccw（）execution*/

cw_n=n;/*reloadstepnumbertocwcounter*/

flag1|=0x01;/*enablecw（）execution*/

}}}

tick_wait（）{/*cputickwasreplacedbysimplerASMcode10mswait*/

asm"JNBTCON.5,*";/*waitforTF0set*/

asm"CLRTCON.5";/*clearTF0forfurtherset*/

asm"ORLTH0,#$DC";/*reloadTH0with$DC,TL0=0*/}

energize（）{

P1=step[（j&0x07）];/*onlystep0-7needed*/

}