步进电机的学习日志

步进电机
是一种将电脉冲信号转化为角位移和线位移的开环控制元件。

在非超载的情况下电机的转速和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。

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。

特点：（1）来一个脉冲转一个布角矩
（2）改变一个脉冲的频率可以改变电机的转速
（3）改变脉冲的顺序可与改变电机的转变方向
一：步进电机的内部结构外部组成。

1.组成。

步进电机主要有两部分组成：定子和转子，它们均由磁性材料构成。

以三相为例，其转子和定子均有四个六个磁极。

三相步进电机的结构简图
2.分类。

分类方式多样。

常见的分类方式有按力矩产生的原理、按力矩输出的大小以及定子转子的数量进行分类。

1）反应式：转子无绕组，定转子开小齿，步角矩小，应用最广。

2）永磁式：转子极数=每相定子的极数，不开小齿，步角矩较大，力矩较大。

3）感应子式，也称混合式，转矩大，动态性能好，步角矩小。

3.工作原理。

工作方式：三相单三拍，三相单双六拍、三相双三拍等。

一:三相单三拍。

（1）连接方式为Y 形。

（2）通电顺序。

ABCA或ACBA。

（3）工作过程。

A相通电，A 方向的磁通经过转子形成闭合回路。

若有转子和磁场轴线有一定的角度，则在磁场的作用下，转子被化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁的磁阻最小，使转、定子对齐停止转动。

A相通电使转子1、3齿和AA~对
齐。

（磁阻：磁阻：就是磁通通过磁路时所
受到的阻碍作用，用R m表示。

磁路中磁阻的
大小与磁路的长度l成正比，与磁路的横截面
积S成反比，并与组成磁路的材料性质有关。

m为磁导率，单位H/m，长度l和截面积
S的单位分别为m和㎡。

因此，磁阻R m的
单位为1/亨(H-1)。

由于磁导率m 不是常数，
所以Rm也不是常数。

与电阻根本不同之处：
1）电路中在电动势的驱动下，确实存在电荷在电路中流动，并因此引起电阻
的发热。

而磁路中磁通是伴随着电流存在
的。

对于恒定电流，在磁导体中，并没有物质或能量在流动，因此不会在磁导体中产生损耗。

即使在交变磁场中，磁导体的损耗也不是磁通“流通”产生的。

2)电路中电流限定在铜导线和其他导电元件内，这些元件的电导率高，比电路的周围材料的电导率一般高10^12倍以上。

由于没有磁绝缘材料，周围介质的磁导率只比组成磁路材料的磁导率低几个数量级。

3）导体的电导率与导体流过电流无关，而磁路中磁导率与磁通密度有关的非线性参数。

4）由于有散磁通存在，即使均匀绕制，也不能做到全耦合，漏磁通一般很难用分析方法求得，通常采用经验公式计算。

5）磁场较复杂，交流激励的磁场在其周围导体中产生涡流效应，磁路计算是近似的~ ）
这种工作方式因为每次只有一相通电，而且一个循环周期包括三个脉冲，所以称为三相单三拍。

特点：
（1）每来一个脉冲转子转过30°。

此角称为布角矩，用θs来表示。

（2）改变通电顺序即可改变转向。

正向：ABCA。

反向：ACBA。

二：三相单双六拍。

通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA。

工作过程：A 相通电1、3齿与A对齐。

AB同时通电，BB'对2、4齿有磁拉力，改拉力使转子顺时针转动。

AA'继续对1、3齿有拉力，所以转子转到磁拉力的平衡位置上，转自就转过15°。

B相通电，B和2、4齿对齐，转子转过15°
三：单相双三拍。

通电顺序为：AB→BC→CA→AB。

θs=30°。

（注：单向单双六拍和单相单双三拍比单相单三拍稳定，因此常采用）
步角矩：步进电机经过一个电脉冲转子转过的角矩.。

Θs=360/ZrN;N:一个周期的运行拍数即通电顺序循环一周需要改变的次数。

Zr:转子矩齿数
如Zr=40，N=3，θs=360/40*3=3°;
拍数N=km,m为相数，k=1,单排制，k=2双排制。

转速（每分钟转过的圆周数）n=60f/ZrN=θsf/6,步角矩一定时，频率越大速度越快。

频率一定时，步角矩越大，转子旋转一周所需的脉冲数越少，转速越快。

步进电机的主要参数
相数：有二相、三相、四相、五相。

保持转矩：指步进电机通电没有转动时，钉子锁住转子的力矩。

通常步进电机在低速时力矩接近保持转矩。

步进电机的力矩随着转速的增大而衰减，输出功就发生了变化。

因此保持转
矩成了衡量步进电机最主要的参数。

最大静转矩：在规定的相序下，矩角特性上转矩的最大值。

绕组电流越大最大静转矩也越大。

最大静转矩可以把步进电机分为伺服步进电机和功率步进电机。

步角矩：每输入一个脉冲转子转过的角度。

启动频率和启动频率特性：
指步进电机能够不失步启动的最高频率。

在一定的负载惯性下启动频率随负载转矩变化的特性叫做启动矩频特性。

运动频率和运动频率特性：
步进电机启动以后，控制脉冲持续上升而不失步的最高频率。

在负载惯量不变时，运行频率与负载转矩之间的关系叫做运动频率特性。

矩角特性：在不改变各相绕组的的通电状态条件下，即一相或几相绕组同时通直流电时，步进电机电磁转矩与失调角的关系。

步进电机的矩角特性图
步进电机的驱动
步进电机的驱动电源主要由脉冲发生器、脉冲分配器、脉冲放大器组成。

要求：1）能改善电流的上升沿和下降沿，产生接近矩形的波形。

2）最大限度地抑制步进电机的震荡。

3）驱动电路功耗低效率高。

4）电路运行可靠，抗干扰能力强。

5）驱动成本低。

6）设置电流流通的回路，降低绕组两端产生的反电动势。

（）
驱动方式：单电压驱动、高低电压切换驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动、H桥双极性驱动和细分驱动。

1）只有一个方向的电压对绕组供电。

驱动原理图
由于T=L/R，因此在此电路中可以串联一个Rs来改变T。

步进电机的控制
开环控制、闭环控制、恒电流、恒电压控制。

1）开环控制。

（在众多电机中只有步进电机能实现开环控制电路进行驱动这是步进电机的一大特点）这种控制方法就是通过输入脉冲信号的计数来对步进电机进行定位。

（开环控制的基本原理图）
优点：成本低，定位精度高，低速输出力矩大、掉电时有定位力矩。

缺点：存在震荡区，必须避开震荡点，否则速度波动大，可能导致失步，启动受到限制。

2）闭环控制。

（在控制系统中采用传感器）这种闭环控制系统采用传感器如编码器、霍尔传感器作为反馈装置。

是的异步电动机的精度更高。

其根本方法就是根据检测环节检测到的实际位移和速度状态，来实时调整输入的脉冲数和速度，使电机运行在正常状态，实际位置与指令位置一至，从而达到精确定位和速的要求。

从根本上解决了失步和震荡的问题。

（闭环控制的基本原理图）
步进电机的选型
1负载分类：
1）Tf力矩负载：
Tf=Gr
2)惯性负载。

Tj=。