知識(shí)點(diǎn)2步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)——任務(wù)準(zhǔn)備知識(shí)點(diǎn)2步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)一、步進(jìn)電機(jī)(steppingmotor)概念

步進(jìn)電機(jī)又稱(chēng)為脈沖電機(jī)，它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制電機(jī)，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，應(yīng)用極為廣泛。

它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的，所以稱(chēng)這種電機(jī)為“步進(jìn)”電機(jī)，常見(jiàn)幾種步進(jìn)電機(jī)外觀如圖所示。知識(shí)點(diǎn)2步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)二、步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理1、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

步進(jìn)電機(jī)是由一組纏繞在電機(jī)固定部件--定子齒槽上的線圈驅(qū)動(dòng)的。

通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機(jī)中，纏繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子表面和定子靠近轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面均有細(xì)齒，定子繞組通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，在該磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子的齒就會(huì)旋轉(zhuǎn)一定角度與定子的齒對(duì)齊。

步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖所示。

知識(shí)點(diǎn)2步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)二、步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理2、步進(jìn)電機(jī)工作原理

步進(jìn)電機(jī)屬于一種感應(yīng)電機(jī)，但是基于電磁鐵原理，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵。其動(dòng)作原理是利用電子電路，分時(shí)供給電機(jī)各相定子繞組直流電源，產(chǎn)生脈動(dòng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子才能一步一步旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，是一種時(shí)序控制器。

知識(shí)點(diǎn)2步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)二、步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理2、步進(jìn)電機(jī)工作原理下圖是一只三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理圖。定子鐵心為凸極式，共有三對(duì)（六個(gè)）磁極，每?jī)蓚€(gè)空間相對(duì)的磁極上繞有一相控制繞組。

當(dāng)A相控制繞組通電，其余兩相均不通電，電機(jī)內(nèi)建立以定子A相極為軸線的磁場(chǎng)。由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，使轉(zhuǎn)子齒1、3的軸線與定子A相極軸線對(duì)齊，如圖所示。知識(shí)點(diǎn)2步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)二、步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理2、步進(jìn)電機(jī)工作原理

若A相控制繞組斷電、B相控制繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子在反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用下，逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)30°，使轉(zhuǎn)子齒2、4的軸線與定子B相極軸線對(duì)齊，即轉(zhuǎn)子走了一步，如左圖（b）所示。知識(shí)點(diǎn)2步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)二、步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理2、步進(jìn)電機(jī)工作原理

若再斷開(kāi)B相，使C相控制繞組通電，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蛴洲D(zhuǎn)過(guò)30°，使轉(zhuǎn)子齒1、3的軸線與定子C相極軸線對(duì)齊，如圖（c）所示。

如此按A—B—C—A的順序輪流通電，轉(zhuǎn)子就會(huì)一步一步地按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)速取決于各相控制繞組通電與斷電的頻率，旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流通電的順序。若按A—C—B—A的順序通電，則電動(dòng)機(jī)按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。知識(shí)點(diǎn)2步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)二、步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理2、步進(jìn)電機(jī)工作原理

上述通電方式稱(chēng)為三相單三拍?！叭唷笔侵溉嗖竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)；“單三拍”是指每次只有一相控制繞組通電；控制繞組每改變一次通電狀態(tài)稱(chēng)為一拍，“三拍”是指改變?nèi)瓮姞顟B(tài)為一個(gè)循環(huán)。把每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱(chēng)為步距角。

如果把控制繞組的通電方式改為A→AB→B→BC→C→CA→A，即一相通電接著二相通電間隔地輪流進(jìn)行，完成一個(gè)循環(huán)需要經(jīng)過(guò)六次改變通電狀態(tài)，稱(chēng)為三相單、雙六拍通電方式。當(dāng)A、B兩相繞組同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子齒的位置應(yīng)同時(shí)考慮到兩對(duì)定子極的作用，只有A相極和B相極對(duì)轉(zhuǎn)子齒所產(chǎn)生的磁拉力相平衡的中間位置，才是轉(zhuǎn)子的平衡位置。這樣，單、雙六拍通電方式下步距角減少一半。知識(shí)點(diǎn)2步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)三、步進(jìn)電機(jī)分類(lèi)1、按結(jié)構(gòu)形式分類(lèi)定子上有繞組、轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、步距角小，可達(dá)1.2°、但動(dòng)態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大，可靠性難保證。轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機(jī)精度差，步矩角較大。綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，其定子上有多相繞組、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個(gè)小齒以提高步矩精度。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對(duì)較高。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)永磁式步進(jìn)電機(jī)混合式步進(jìn)電機(jī)知識(shí)點(diǎn)2步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)三、步進(jìn)電機(jī)分類(lèi)2、按定子繞組分類(lèi)繞組有二相，約占90%以上的市場(chǎng)份額，其原因是性?xún)r(jià)比高，配上細(xì)分驅(qū)動(dòng)器后效果良好。該種電機(jī)的基本步距角為1.8°/步。繞組有三相。繞組有五相。二相步進(jìn)電機(jī)三相步進(jìn)電機(jī)五相步進(jìn)電機(jī)知識(shí)點(diǎn)2步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)三、步進(jìn)電機(jī)分類(lèi)3、按機(jī)座號(hào)分類(lèi)28步進(jìn)電機(jī)35步進(jìn)電機(jī)42步進(jìn)電機(jī)57步進(jìn)電機(jī)86步進(jìn)電機(jī)110步進(jìn)電機(jī)130步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)橫截面都是正方形（或者四邊倒角的正方形），

以邊長(zhǎng)的長(zhǎng)度尺寸（單位：毫米）作為步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi)，這個(gè)長(zhǎng)度尺寸就是機(jī)座號(hào)系列。知識(shí)點(diǎn)2步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)三、步進(jìn)電機(jī)分類(lèi)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)解讀28BYJ48-5V28號(hào)機(jī)座額定電源電壓：DC5V四相八拍減速型，輸出軸有減速箱永磁式步進(jìn)電機(jī)型號(hào)：知識(shí)點(diǎn)2步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)四、步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)1、靜態(tài)技術(shù)參數(shù)（1）相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。（2）拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或電機(jī)每轉(zhuǎn)一個(gè)齒距所需脈沖數(shù)。以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即

A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。（3）步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用θ表示。θ=360度/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱(chēng)整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱(chēng)半步）。知識(shí)點(diǎn)2步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)四、步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)1、靜態(tài)技術(shù)參數(shù)（4）定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）。（5）靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電壓作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。

雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過(guò)分采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。知識(shí)點(diǎn)2步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)四、步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)2、動(dòng)態(tài)技術(shù)參數(shù)（1）步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差百分比。（2）最大空載起動(dòng)頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。（3）最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。知識(shí)點(diǎn)2步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)四、步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)2、動(dòng)態(tài)技術(shù)參數(shù)（4）運(yùn)行矩頻特性：電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱(chēng)為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。（5）失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱(chēng)之為失步。（6）失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。知識(shí)點(diǎn)2步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)五、步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)（1）一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步距角的3-5%，且不會(huì)累積誤差。（2）步進(jìn)電機(jī)外表允許較高的溫度。（3）步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。（4）步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。

步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生失步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?。知識(shí)點(diǎn)2步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)六、步進(jìn)電機(jī)的選擇（1）步距角的選擇：步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度（三相電機(jī)）等。

另外，還要確定定位精度和振動(dòng)方面的要求情況，判斷是否需細(xì)分，需多少細(xì)分。（2）靜力矩的選擇：步進(jìn)電機(jī)