?步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)的工作原理: 用脈沖信號控制電機(jī)斷續(xù)運(yùn)動。

?步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（步進(jìn)角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

?步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

?1 電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和脈沖信號的數(shù)量成比例關(guān)系

?2 靜止?fàn)顟B(tài)下力矩最大（繞線通電情況下）

?3 好的步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)角（是指輸入一個電脈沖信號，步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子相應(yīng)的角位移）的誤差只有±3-5%， 并且這個誤差不會在以后的步進(jìn)中累積，利于高精度定位和做往復(fù)性動作

?4 啟動/停止/反轉(zhuǎn)的響應(yīng)快

?5 電機(jī)內(nèi)無電刷，可靠性高，電機(jī)的壽命基本上只取決于軸承的壽命

?6 電機(jī)只需用開環(huán)控制的脈沖信號，控制方式簡單成本低

?7 電機(jī)軸承上的負(fù)載在超低速下也能同步轉(zhuǎn)動

?8 轉(zhuǎn)速和脈沖信號的頻率成正比，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以在一個寬范圍內(nèi)控制

?步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)

?1 控制不當(dāng)會引起共振

?2 不易超高速運(yùn)行

?步進(jìn)電機(jī)的種類

?主要有三種反應(yīng)式（VR），永磁式（PM） 和混合式（HB）

?1 反應(yīng)式（變磁阻）步進(jìn)電機(jī) (VR=Variable Reluctance)

?如圖1，反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰，構(gòu)造如圖一所示，中心的轉(zhuǎn)子由帶齒的電磁軟鐵構(gòu)成，周邊有繞線的是定子。給定子繞組 AA’ BB’ CC’ DD’)按順序接通直流電后生成磁場，通過吸引轉(zhuǎn)子齒上磁極帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動

?2 永磁式步進(jìn)電機(jī) (PM=Permanent Magnet)

?如圖2，永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度； PM步進(jìn)電機(jī)成本低，定位精度低，步距角在7.5-15°之間（24-48 step/轉(zhuǎn)），和VR步進(jìn)電機(jī)不同，轉(zhuǎn)子沒有齒。取而代之的是在轉(zhuǎn)子平行于軸的方向上交互磁化了的S和N磁極。因?yàn)檗D(zhuǎn)子的磁通密度大，PM電機(jī)比VR電機(jī)的扭矩大

?3 混合式步進(jìn)電機(jī) (HB=Hybrid)

?如圖3，混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。和PM電機(jī)相比，價格高，不過步進(jìn)精度，扭矩，速度都要好。HB電機(jī)的步進(jìn)角在0.9-3.6°之間（100-400 step/轉(zhuǎn)）HB電機(jī)結(jié)合了VR和PM的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)轉(zhuǎn)子上的齒型可以得到優(yōu)化了的磁通路，磁力線可以被引入到指定的磁隙。

?通常使用的步進(jìn)電機(jī)主要是PM型或者HB型，因?yàn)镻M的價格是HB的幾分之一，所以在不知道什么電機(jī)合適的時候可以先選PM看看。

?尺寸和輸出

? 除了根據(jù)步進(jìn)角分類，步進(jìn)電機(jī)也根據(jù)外形尺寸來分類的。

?例如尺寸為11的步進(jìn)電機(jī)本體的直徑是1.1英寸，23的本體直徑為2.3英寸（58mm），不過本體的長度即使直徑相同也可能不同。一般情況下，同尺寸的步進(jìn)電機(jī)的本體越長扭矩越大

?由IC驅(qū)動的步進(jìn)電機(jī)的功率從不到1W的小型機(jī)，到10-20瓦的大型機(jī)。通常電機(jī)廠家不會在規(guī)格書上標(biāo)記電機(jī)的最大功耗以及耐熱界限。不過我們可以用P=V*I來估算。例如尺寸為23的電機(jī)的額定電壓6V，1A/相，因此2相通電的情況下 其功率為12W。通常電機(jī)的額定功率是在電機(jī)外殼溫度比環(huán)境溫度高出65°時消耗的電力。所以如果給電機(jī)裝上散熱裝置的話可以提升電機(jī)的功率。電機(jī)會在額定功率下工作，因此設(shè)計(jì)時要平衡尺寸，功率，成本三者之間的關(guān)系

?

?步進(jìn)電機(jī)的用途

步進(jìn)電機(jī)適用于需要控制旋轉(zhuǎn)角度，速度，位置以及有同步要求的場合，因此廣泛應(yīng)用在打印機(jī)，各類OA設(shè)備

?旋轉(zhuǎn)磁場

? 給定子上的繞組通電會產(chǎn)生磁場，其磁力線的方向遵循右手法則。圖5的B組繞線IB電流產(chǎn)生如圖所示的磁力線（線圈內(nèi)逆時針），轉(zhuǎn)子向磁力線受阻最小的方向順時針旋轉(zhuǎn)，這時候轉(zhuǎn)子的S極和位置2處的定子N極同位，N極和位置6處的定子S極同位。通過控制定子上繞組通電時序，我們就可生成一個旋轉(zhuǎn)磁場，引導(dǎo)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

?扭矩的產(chǎn)生

步進(jìn)電機(jī)的扭矩和以下因素相關(guān)

-脈沖速度

-繞線勵磁電流

-驅(qū)動方式

當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子的磁力線不在一個方向時，產(chǎn)生扭力。 定子是導(dǎo)磁率高的磁性材料，就像電路中電流在導(dǎo)體內(nèi)流動，大部分磁力線都會集中在定子的兩極。 電機(jī)所產(chǎn)生的扭矩大小和定子繞組所生成的磁力線的強(qiáng)弱成正比。磁力線的強(qiáng)弱可根據(jù)下面的公式計(jì)算。

H= (N x i) /I

H: 磁力線的強(qiáng)弱

N : 定子繞組的線圈數(shù)

i : 流經(jīng)線圈的電流

I : 磁力線通路的長度

由這個公式可知，即使是相同尺寸的步進(jìn)電機(jī)，通過改變繞線的參數(shù)，扭矩也將有很大的變化。

?相位，磁極和步進(jìn)角

? 雖然也有3相，5相的步進(jìn)電機(jī)，但更多的是兩相，本文也只介紹2相的電機(jī)。

?雙極性步進(jìn)電機(jī)是指：有兩個線圈，四條線。電流在兩個線圈中可以正反向流動，所以叫做雙極性。雙極步進(jìn)電機(jī)每相只有一個單繞組，沒有抽頭。 為了反轉(zhuǎn)磁極，繞組中的電流需要反轉(zhuǎn)，這意味著雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動通常更加復(fù)雜并且通常需要H橋排列。 由于沒有公共端，每相有兩個引線，典型的兩相電機(jī)會有四根引線。 盡管雙極電機(jī)通常驅(qū)動更加復(fù)雜，但它們確實(shí)具有它們的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)楦檬褂玫睦@組，雙極電機(jī)比同重量的單極電機(jī)更強(qiáng)大。

?單極性步進(jìn)電機(jī)是指：有兩個線圈，但是有五條或六條線，即在一個線圈的中間增加了一個抽頭，五條線的可以看成是六條線把兩個線圈的兩根中間線并在一起。因?yàn)樵谝粋€線圈的中間有了抽頭，電流就可以在一個線圈的一半走不同的流向，但這時只是用到電機(jī)線圈的一半而已。這種類型的步進(jìn)電機(jī)由一個帶有中心抽頭的單繞組組成。 根據(jù)期望磁場的方向，繞組的每個部分接通，因?yàn)檫@樣，磁極可以反轉(zhuǎn)而不用切換電流的方向。 中心抽頭比較常見，雖然在兩相單極步進(jìn)電機(jī)上通常有6個引線（每相3個），兩個公共端可以在內(nèi)部連接在一起，也就是說只有五根引線。

?磁極 被磁化的物體內(nèi)磁力線集中的區(qū)域。 在電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子上都有磁極。圖5所示 定子上每相有兩個磁極（或稱為一對磁極），轉(zhuǎn)子上也是有幾組磁極對構(gòu)成。

?為了增加電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈的步數(shù)，意即減小步進(jìn)角，可以通過增加定子和轉(zhuǎn)子的磁極對。

?對于PM型步進(jìn)電機(jī)來說，轉(zhuǎn)子和定子的磁極對數(shù)量是一樣的，通常，PM電機(jī)有12對磁極。

?對于HB型的轉(zhuǎn)子是帶有齒的永磁體，其中一半的齒是N極，另一半是S極。HB型的定子的主磁極上帶齒，這樣可以將磁極的間距進(jìn)一步減小（等價磁極數(shù)=360°/磁極間距）通常 步進(jìn)角3.6°的HB電機(jī)有4個主磁極，1.8°或者0.9°有8個主磁極。轉(zhuǎn)子和定子的磁極數(shù)和步進(jìn)角的關(guān)系如下

?步進(jìn)角=360/(NPH x PH)=360/N

?NPH 每相對應(yīng)的磁極數(shù)

?PH 相數(shù)

?N 所有相的總磁極對

?如果轉(zhuǎn)子和定子的齒間距不等，步進(jìn)角的計(jì)算將會比較復(fù)雜

?步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動

?通常的驅(qū)動方式有

?Wave 直接波形驅(qū)動 （1相勵磁）

?Full step全步驅(qū)動 （兩相勵磁）

?Half step半步驅(qū)動 （1-2相勵磁）

?Micro step 微步驅(qū)動 (電機(jī)的電流連續(xù)變化）

?波形驅(qū)動/1相勵磁 是指在一定時間里只對1相勵磁。定子的勵磁時序 A→B→A’ →B’，轉(zhuǎn)子沿8 →2 →4 →6轉(zhuǎn)動。波形驅(qū)動的缺點(diǎn)是雙極性電機(jī)只用了總線圈數(shù)的50%，單極性電機(jī)只用了25%，這也意味著其輸出功率有限

?全步驅(qū)動（兩相勵磁）是指在任意時間同時給A/B兩相通電勵磁，定子按照A?B→A’ ?B→ A’?B’→ A ? B’時序勵磁，轉(zhuǎn)子沿1→3 →5 →7轉(zhuǎn)動。和1相勵磁相比，兩相勵磁下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過相同的角度，但是其機(jī)械位置有1/2被offset。和雙極性電機(jī)相比，單極性只用了一半的線圈數(shù)因此輸出扭矩也少一半

?半步驅(qū)動/1-2相勵磁，這是1相和2相勵磁的組合方式， 定子按照A?B→B→ A’?B→ A’→ A’?B’→ B’→ A?B’→ A， 轉(zhuǎn)子沿1-2-3-4-5-6-7-8轉(zhuǎn)動

?三種驅(qū)動方式的比較

扭矩和角度的關(guān)系

?理想的步進(jìn)電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角應(yīng)該像如圖7所示的正弦波形。位置A和C是轉(zhuǎn)子在沒有外力和負(fù)載時停止的位置。當(dāng)給轉(zhuǎn)軸施加外力Ta時，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過角度θa，θa對應(yīng)電機(jī)是加速還是減速的狀態(tài)，分別稱之為前進(jìn)角或者滯后角。給轉(zhuǎn)軸施加負(fù)載讓其停止時，轉(zhuǎn)子根據(jù)θa確定停止位置。電機(jī)為了取得和負(fù)載的平衡，對于施加的外力產(chǎn)生扭矩Ta。隨著負(fù)載的增大，最終電機(jī)將到達(dá)保持扭矩TH (holding torque)，變?yōu)榻铅萢也隨著增大。超過TH的話，電機(jī)進(jìn)入非穩(wěn)態(tài)，在這個領(lǐng)域，電機(jī)上會有反向扭矩產(chǎn)生。轉(zhuǎn)子通過這個不安定點(diǎn)后，進(jìn)入下一個安定點(diǎn)。

變位角由下式可得

?X=Z/2π*sinTa/TH

?其中

?X: 角度變化量

?Z : 轉(zhuǎn)子齒數(shù)

?Ta : 負(fù)載扭矩

?TH : 電機(jī)額定保持扭矩

?因此 在有負(fù)載的情況下電機(jī)停止時，如果步進(jìn)角有誤差，可以通過改善電機(jī)的剛性來提高。也就是提高電機(jī)的保持扭矩TH，如圖8所示，通過提高TH，滯后角從θ2變小到θ1。

步進(jìn)角的精度

步進(jìn)電機(jī)得以普及的一個主要原因是其定位精度和可重復(fù)性。一般的步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角的誤差在3~5%/step之間，而且這個誤差不會累計(jì)。此外步進(jìn)電機(jī)的精度也取決于部件的加工和組裝精度，如圖9所示。

步誤差（步進(jìn)角誤差）

指電機(jī)從保持位置轉(zhuǎn)動1步時的位置誤差。

步誤差=實(shí)測步進(jìn)角-理論步進(jìn)角

位置誤差（靜止角度誤差）

電機(jī)從初始位旋轉(zhuǎn)N步后（N=360/步進(jìn)角），從初始位置開始測量各步的角度。從初始位置到N步后的測量角度為θN，誤差為?θN的話

?θN=θN-步進(jìn)角*N

位置誤差即靜止角度誤差是?θN的最大值和最小值的差，通常用下式表示

位置誤差=1/2 (?θmax- ?θmin?)

步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械指標(biāo)

?步進(jìn)電機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的指標(biāo)參數(shù) 負(fù)載，摩擦，慣性

?負(fù)載是指電機(jī)要帶動的物體。負(fù)載通常由摩擦和慣性構(gòu)成

?摩擦指電機(jī)和負(fù)載的凸凹面對運(yùn)動的抵抗。電機(jī)速度一定的話摩擦也一定。

?為了抵消摩檫力，在電機(jī)的全速度范圍需要不小于摩檫力的力矩。摩擦負(fù)載增大的話，最大速度和加速度下降，位置誤差也會增大，反之亦然。

?慣性是對速度變化的抵抗，高慣性的負(fù)載啟動時需要更大的力矩。

?轉(zhuǎn)子的震動，由摩擦或者慣性導(dǎo)致，可以通過機(jī)械衰減來降低轉(zhuǎn)子的震動。不過，這些不需要的震動也可以通過從全步驅(qū)動切換到半步驅(qū)動這樣的電子控制方法簡單實(shí)現(xiàn)

?扭矩和速度的關(guān)系

?圖10是典型的速度-扭矩曲線圖

?保持扭矩（靜態(tài)最大扭矩）

?在停止?fàn)顟B(tài)下產(chǎn)生的最大扭矩

?牽入扭矩（pull-in）和失步轉(zhuǎn)矩（pull-out）

?如圖所示，步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生包括失步轉(zhuǎn)矩（pull-out-torque）和牽入轉(zhuǎn)矩（pull-in-torque）兩個轉(zhuǎn)矩。牽入轉(zhuǎn)矩范圍為從零到最大自起動脈沖頻率或最大自起動頻率區(qū)域。牽入曲線包圍的區(qū)域稱為自起動區(qū)域。電機(jī)同步進(jìn)行正反轉(zhuǎn)起動運(yùn)行，在牽入與失步區(qū)域之間為運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)，電機(jī)在此區(qū)域內(nèi)可帶相應(yīng)負(fù)載同步連續(xù)運(yùn)行，超出范圍的負(fù)載轉(zhuǎn)矩將不能連續(xù)運(yùn)行，出現(xiàn)失步現(xiàn)象。步進(jìn)電機(jī)為開環(huán)驅(qū)動控制，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩之間要有裕度，其值應(yīng)為50%~80%。

最大頻率Slew rate

電機(jī)在沒有負(fù)載的情況下可以到的最高頻率

牽入轉(zhuǎn)矩根據(jù)負(fù)載不同會變化，負(fù)載慣性大的話，自啟動領(lǐng)域變小，從曲線可以看出，轉(zhuǎn)矩隨著脈沖頻率增大而變小。速度增加導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩變小的原因是高速下電機(jī)線圈的感性負(fù)載特性的影響越來越大。

速度-轉(zhuǎn)矩曲線在使用不同的驅(qū)動IC時會有很大改變。日清紡微電子（NISSHINBO）的雙極性斬波驅(qū)動IC可讓速度-轉(zhuǎn)矩曲線得以優(yōu)化，讓電機(jī)發(fā)揮其最大性能。

電機(jī)廠家都會提供速度-轉(zhuǎn)矩曲線，用戶在購買電機(jī)上要關(guān)注電機(jī)廠家使用了什么驅(qū)動IC得到的速度-轉(zhuǎn)矩曲線。

?圖11是步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)答特性。每給電機(jī)一個脈沖信號，轉(zhuǎn)子按照圖上曲線運(yùn)動，時間t是指從印加脈沖到轉(zhuǎn)子完成1步的旋轉(zhuǎn)所要的時間，這個時間和負(fù)載以及驅(qū)動IC密切相關(guān)

?時間T是指轉(zhuǎn)子完全靜止時所要的時間，這個時間可以通過利用驅(qū)動IC的micro step驅(qū)動方法來減低

?步進(jìn)電機(jī)在特定速度時會發(fā)生共振。共振體現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩消失或降低。從而導(dǎo)致步進(jìn)缺失。造成共振的原因是脈沖頻率和轉(zhuǎn)子固有振動頻率相同。 共振多發(fā)生在100-200pps和某個高頻兩個區(qū)域。共振是步進(jìn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)決定的無法消除，另外，共振也和所帶負(fù)載相關(guān)。可以通過half step或者micro step來降低共振

以上就是對步進(jìn)電機(jī)的簡單介紹，如對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動IC感興趣，請關(guān)注NISSHINBO的網(wǎng)站

審核編輯 黃宇