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西門子步進(jìn)電機(jī)的工作原理
一、 前言

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。

雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。

目前,生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況，我們決定以廣泛的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)為例。敘述其基本工作原理。望能對(duì)廣大用戶在選型、使用、及整機(jī)改進(jìn)時(shí)有所幫助。

二、感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)工作原理

（一）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理

由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理。

1、結(jié)構(gòu)：

電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/3て，C與齒3向右錯(cuò)開2/3て，A’與齒5相對(duì)齊，（A’就是A，齒5就是齒1）

2、旋轉(zhuǎn)：

如A相通電，B，C相不通電時(shí)，由于磁場作用，齒1與A對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。如B相通電，A，C相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過1/3て，此時(shí)齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て，此時(shí)齒4與A偏移為1/3て對(duì)齊。如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。

由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。

不過，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。

不難推出：電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。

3、力矩：

電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量Ф）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開一定角度產(chǎn)生力F與（dФ/dθ）成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積 F與L*D*Br成正比L為鐵芯有效長度，D為轉(zhuǎn)子直徑 Br=N?I/R N?I為勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻。

力矩=力*半徑

力矩與電機(jī)有效體積*安匝數(shù)*磁密 成正比（只考慮線性狀態(tài)）因此，電機(jī)有效體積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之亦然。

（二）感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)

1、特點(diǎn)：

感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。

感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動(dòng)），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。例如：四相，八相運(yùn)行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為C=,D=.
一個(gè)二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致，小功率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一點(diǎn)的電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時(shí)，既可以作四相電機(jī)使用，可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。

2、分類

感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以相數(shù)可分為：二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)等。以機(jī)座號(hào)（電機(jī)外徑）可分為：42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號(hào)）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標(biāo)準(zhǔn)），而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內(nèi)
二、 三、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成

使用、控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如下：

1、脈沖信號(hào)的產(chǎn)生。

脈沖信號(hào)一般由單片機(jī)或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號(hào)的占空比為0.3-0.4左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。

2、信號(hào)分配

我廠生產(chǎn)的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以二、四相電機(jī)為主，二相電機(jī)工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為,步距角為1.8度；二相八拍為,步距角為0.9度。四相電機(jī)工作方式也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB,步距角為1.8度；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角為0.9度）。

3、功率放大

功率放大是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動(dòng)態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機(jī)力矩越大，要達(dá)到平均電流大這就需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅(qū)動(dòng)方式，到目前為止，驅(qū)動(dòng)方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。

為盡量提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，將信號(hào)分配、功率放大組成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。我廠生產(chǎn)的SH系列二相恒流斬波驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)及電機(jī)接線圖如下：
說明：
CP 接CPU脈沖信號(hào)（負(fù)信號(hào)，低電平有效）
OPTO 接CPU+5V
FREE 脫機(jī)，與CPU地線相接，驅(qū)動(dòng)電源不工作
DIR 方向控制，與CPU地線相接，電機(jī)反轉(zhuǎn)
VCC 直流電源正端
GND 直流電源負(fù)端
A 接電機(jī)引出線紅線
接電機(jī)引出線綠線
B 接電機(jī)引出線黃線
接電機(jī)引出線藍(lán)線 步進(jìn)電機(jī)一經(jīng)定型，其性能取決于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，力距越大則要求電機(jī)的電流越大，驅(qū)動(dòng)電源的電壓越高。電壓對(duì)力矩影響如下：
4、細(xì)分驅(qū)動(dòng)器
在步進(jìn)電機(jī)步距角不能滿足使用的條件下，可采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的原理是通過改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的。