步进电机的原理及应用

步进电机

目录

一、步进电机的发展史

二、步进电机的概要

（1）永磁式步进电机

（2）反应式步进电机

（3）混合式步进电机

三、步进电机的分类

四、步进电机的结构

五、步进电机的工作原理

六、步进电机的主要特性

七、步进电机定子相数的分类、结构、原理

八、步进电机的驱动及控制

（1）步进电机的驱动

电机驱动的组成

（2）步进电机的控制

PLC对步进电机的控制

单片机对步进电机的控制

九、结束语

1、步进电机的发展史

电机为工业发展不可缺少的一大要素，并扮演着重要的角色。电机的应用不仅在动力应用反面不断扩大，而且在控制领域的使用范围也在不断扩大。随着控制电机重要性的增加，控制电机的使用量也逐年增加。步进电机是一种控制电机，不使用反馈回路，就能进行速度控制及定位控制，即所谓的电机开环控制，不使用反馈回路，其应用主要以处理办公业务能力很强的OA(Office Automation,办公自动化)机器和FA(Factory Automation工厂自动化)机器为核心，并广泛的应用于医疗器械、计量仪器、汽车、游戏机等。就数量来讲，OA机器方面的应用约占步进电机使用总数的75%。

虽然步进电机最近被大量应用，但其原理早已有之。步进电机与电磁铁和柱塞泵同一时期开发，法国人佛罗曼提出了将电磁铁的吸引力转化为旋转力矩的方法。当时，激磁相的切换用机械凸轮的接触点来完成，这就是步进电机的原型。现在还有旋转线圈式的应用方法。1920年步进电机的实际应用才开始，称为VR（Variable Relutance 变磁阻）型步进电机，被英国海军用作定位控制和远程遥控。

混合式HB(Hybrid 的缩写，是VR与PM复合的意思)型步进电机的产生，大约在1952年，由美国GE公司的Karl Feiertag 开发的发电机演变而来。与现在的两相HB型步进电机结构相同，取得了US专利。当初作为低速同步电机使用，其后，由美国的Superior Electric 公司和Sigma Instruments公司开发出两相1.8°步距角的HB型步进电机。当时因为电流小、电感大、恒电驱动的关系，换相脉冲只有

300pps（现在为10～20kpps）。

另一方面，从驱动电路方面看，步进电机的发展与晶体管半导体元件的发展密不可分。1950年研制出二极管半导体，1964年开发出MOS 半导体，1965年出现IC，1967年LSI使用化。特别是经过1950～1965年间半导体材料的高速发展，进入20世纪70年代，由于价格便宜，可靠性高的逻辑数字电路得到广泛应用，使步进电机的使用量急剧增加。

2、步进电机的概要

步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进一般为两相，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。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进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。

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

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；

永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。反应式步进电机

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。

反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。

混合式步进电机

混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。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。

3、步进电机的分类

表5-1 步进电机的分类

4、步进电机的结构

目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。在反应式步进电机中，有轴向分相和径向分相两种，如表5--1所述。

图5--2是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。它与普通电机一样，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成，其形状如图

中所示。定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图5--2所示的步进电机可构成三相控制绕组，故也称三相步进电机。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的NS 极。在定子的每个磁极上，即定子铁心上的每个齿上又开了5个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9°，转子上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，齿槽也是等宽的，齿间夹角也是9°，与磁极上的小齿一致。此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距，如图5--3所示。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前(或滞后)转子齿1/3齿距角，C相磁极齿超前(或滞后)转子齿2/3齿距角。

图5-2 单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图

图5-3 步进电机的齿距

图5--4是一个五定子、轴向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。从图中可以看出，步进电机的定子和转子在轴向分为五段，每一段都形成独立的一相定子铁心、定子绕组和转子，图5--5所示的是其中的一段。各段定子铁心形如内齿轮，由硅钢片叠成。转子形如外齿轮，也由硅钢片制成。各段定子上的齿在圆周方向均匀分布，彼此之间错开1/5齿距，其转子齿彼此不错位。当设置在定子铁心环形槽内的定子绕组通电时，形成一相环形绕组，构成图中所示的磁力线。

除上面介绍的两种形式的反应式步进电机之外，常见的步进电机还有永磁式步进电机和永磁反应式步进电机，它们的结构虽不相同，但工作原理相同。

5、步进电机的工作原理

步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。图5--6是一种最简单的反应式步进电机，下面以它为例来说明步进电机的工作原理。

图5--6(a)中，当A相绕组通以直流电流时，根据电磁学原理，便会在AA方向上产生一磁场，在磁场电磁力的作用下，吸引转子，使转子的齿与定子AA磁极上的齿对齐。若A相断电，B相通电，这时新的磁场其电磁力又吸引转子的两极与BB磁极齿对齐，转子沿顺时针转过60°。通常，步进电机绕组的通断电状态每改变一次，其转子转过的角度α称为步距角。因此，图5--6(a)所示步进电机的步距角α

等于60°。如果控制线路不停地按A→B→C→A…的顺序控制步进电机绕组的通断电，步进电机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为A→C→B→A…，同理，步进电机的转子将逆时针不停地转动。

图5-4 五定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图

图5-5 一段定子、转子及磁回路

上面所述的这种通电方式称为三相三拍。还有一种三相六拍的通电方式，它的通电顺序是：顺时针为A → AB → B → BC → C → CA → A；逆时针为A → AC → C→ CB → B → BA →A。

若以三相六拍通电方式工作，当A相通电转为A和B同时通电时，转子的磁极将同时受到A相绕组产生的磁场和B相绕组产生的磁场的共同吸引，转子的磁极只好停在A和B两相磁极之间，这时它的步距角α等于30°。当由A和B两相同时通电转为B相通电时，转子磁极再沿顺时针旋转30°，与B相磁极对齐。其余依此类推。采用三相六拍通电方式，可使步距角α缩小一半。

图5-6 步进电机工作原理图

图5--6(b)中的步进电机，定子仍是A，B，C三相，每相两极，但转子不是两个磁极而是四个。当A相通电时，是1和3极与A相的两极对齐，很明显，当A相断电、B相通电时，2和4极将与B相两极对齐。这样，在三相三拍的通电方式中，步距角α等于30°，在三相六拍通电方式中，步距角α则为15°。

综上所述，可以得到如下结论：

(1)步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角α；

(2)改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；

(3)步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；

(4)步进电机步距角α与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可用下式表示：

式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2；依此类推。

对于图5--2所示的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机，当它以三相三拍通电方式工作时，其步距角为

若按三相六拍通电方式工作，则步距角为

6、步进电机的主要特性

(1)步距角：步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重

要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为。步距角越小，数控机床的控制精度越高。

(2)矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩M q。矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生的静态转矩与失调角的变化规律。

(3)启动频率f q：空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。

7、步进电机定子相数的分类、结构、原理

现以两相与三相步进电机为例详细说明步进电机的相数与特性的关系。相数与特性综合概述为：

1)高分辨率根据式(2．1)，步距角为180／PNr。故相数P越大，角分辨率越高。

提高分辨率，可以提高定位控制精度，改善低速失步，使多相控制成为可能，并且可以改善阻尼(改善制动性能，减小停止时的超调量和制动时间)。详细说明在驱动技术部分。

2)低振动图2．9表示的是两相和三相步进电机的转矩波动，相数愈多，换相的两相绕组动态转矩曲线的交点转矩值Tg与最大静态转矩Th的相对误差愈小。TR为电机所带负载转矩的下限值，(Th-Tg)／Th为转矩波动的相对误差，相数越多，此值越小，对降低振动越有利。亦即，相数越多，电机产生的转矩波动幅值越小，频率越高．产生的振动越小。

3)高转速多相步进电机的优点是能高速响应。步进电机为同步电机，绕组电流频率与转子速度成正比例，若电机高速运转，则绕组电流角频率ω增加，使绕组电感L产生的电抗ωL加大，从而降低电流，致使转矩下降。

当用数千pps驱动步进电机时，电机绕组阻抗Z与直流电阻相比。电抗ωL将大幅增加。当电机高速运转时，如电压V一定，则电机相电流为V／ωL。机械角速度ωm为ω=Nrωm，则对相同机械角速度ωm 的电机，电流与Nr成反比。

根据式(2．1)，两相Nr=50时，步距角为1.8；五相Nr=20时．步

距角为1．8。当这两种步进电机以相同的转速高速旋转时，五相绕

组的电流是两相的2.5倍，因为电流小则转矩小。所以五相的转矩比

两相的要大。

8、步进电机的驱动及控制

（1）步进电机的驱动

步进电机驱动的组成包括变频信号源、脉冲分配器、功率放大器等部

分：

●脉冲信号：一般由时钟信号或单片机等产生，一般要求脉冲的信

号可变，以控制电机转速的变化。

●控制信号：根据不同的电机和实际需要，采用适当的控制方式。

●驱动：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的非静态电流。平均电流

越大电机力矩越大。要达到平均电流大就需要驱动系统尽量克服

电机的反电动势。因而不同的场合采取不同的驱动方式。由于发

出的电流都很小，要加一个功率放大电路再接到电击上，才能驱

动电机转起来。

（2）电机驱动的组成

步进电机的驱动电路由变频信号源、脉冲分配器以及功率放大器等组

成，如图所示：

运行指令变频信号脉冲分配功率放大步进电机（3）步进电机的控制

PLC对步进电机的控制

脉冲

控制系统的组成

外部连接图

PLC控制步进电机的原理

单片机对步进电机的控制系统主要有步进控制器、功率放大器及步进电动机组成。步进电动机控制器是由缓冲寄存器、环型分配器、控制逻辑及正反转控制门等组成。它的作用就是能把输入的脉冲转换

成环型脉冲，以便控制步进电机，并能进行向控制。功率放大器的作用就是把控制器输出的环型脉冲加以放大，以驱动步进电动机转动。在这种控制方式中，由于步进控制器线路复杂，成本高，因而限制它的应用。但是，如果采用PLC控制系统，有软件代替步进控制器，则问题大大简化。

单片机对步进电机的控制

单片机的P1口控制步进电机的运行，只要在一定的时间控制P1.0，P1.1，P1.2的输出情况就可以实现对步进电机的运行控制。

波形图：

驱动电路使用功率三极管作为驱动元件，如下图。P1.0，P1.1，P1.2三根线按上面的波形图一次导通，它们经过反相器74LS06提升到+12V，直接接通功率晶体管的基极。功率晶体管的集电极E1，E2，E3分别经过6Ω限流电阻接到步进电机的A、B、C三个绕阻上，功率晶体管在时序脉冲的驱动下导通或截至。是步进电机的三个绕阻分别加电或断电，完成旋转。D1-D6对功率晶体管起保护作用。如图所

示：

步进电机的驱动电路

9、结束语

在这次的报告中，我学到了许多以前不知道的东西。对于步进电机有了更深地了解，我想以后在步进电机这一方面有更多的学习。希望能在以后的工作能有所作用。