步进电机基本原理讲解_物理_自然科学_专业资料。步进电机基本原理 电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转 运动。每个脉冲所产生的运动是的，并可重复，这就是步进 电机为什么在定位应用中如此有效的 原因。 永磁步进电机包括一个永磁

　　步进电机基本原理 电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转 运动。每个脉冲所产生的运动是的，并可重复，这就是步进 电机为什么在定位应用中如此有效的 原因。 永磁步进电机包括一个永磁转子、 线圈绕组和导磁定子。激励一个线圈绕 组将产生一个电磁场，分为北极和南极，见图 1 所示。定子产生 的磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变定子线圈的通电 顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。 图 2 显示了一个两相电机的典型的步进顺序。在第 1 步中， 两相定子的 A 相通电，因异性相吸，其磁场将转子固定在图示位 置。当 A 相关闭、B 相通电时，转子顺时针旋转 90°。在第 3 步 中，B 相关闭、A 相通电，但极性与第 1 步相反，这促使转子再 次旋转 90°。在第 4 步中，A 相关闭、B 相通电，极性与第 2 步 相反。重复该顺序促使转子按 90°的步距角顺时针旋转。 图 2 中显示的步进顺序称为“单相激励”步进。更常用的步 进方法是“双相激励”，其中电机的两相一直通电。但是，一次 只能转换一相的极性，见图 3 所示。两相步进时，转子与定子两 相之间的轴线处对直。由于两相一直通电，本方法比“单相通 电”步进多提供了 41.1%的力矩，但输入功率却为 2 倍。 半步步进 电机也可在转换相位之间插入一个关闭状态而走“半步”。 这将步进电机的整个步距角一分为二。例如，一个 90°的步进 电机将每半步移动 45°，见图 4。但是，与“两相通电”相比， 半步进通常导致 15%～30%的力矩损失（取决于步进速率）。在 每交换半步的过程中，由于其中一个绕组没有通电，所以作用在 转子上的电磁力要小，造成了力矩的净损失。 双极性绕组 双相激励介绍了利用一种“双极性线圈绕组”的方法。每相 用一个绕组，通过将绕组中电流反向，电磁极性被反向。典型的 两相双极驱动的输出步骤在电气原理图和图 5 中的步进顺序中 进一步阐述。按图所示，转换只利用绕组简单地改变电流的方向， 就能改变该组的极性。 单极性绕组 另一常用绕组是单极性绕组。其一个电极上有两个绕组，这 种联接方式为当一个绕组通电时，产生一个北极磁场；另一个绕 组通电，则产生一个南极磁场。因为从驱动器到线圈的电流不会 反向，所以可称其为单极绕组。该步进顺序见图 6 所示。该设计 使得电子驱动器简单化。但是，与双极性绕组相比，其力矩大约 少 30%，因为励磁线圈仅被利用了一半。 共振 由于电机是一个弹性体系统，所以步进电机有一个固有谐振 频率。当步进速率等于电机的固有频率时，电机可能会产生听得 见的噪音变化，同时振动增加。共振点将随应用场合和负载而变 化，但共振点通常出现在 70～120 步/秒之间的某一位置。在严 重情况下，电机在振荡点附近可能会失步。改变步进速率是避免 系统中与共振有关的许多问题的简单的方式。另外，半步或微 步驱动通常也可以减少共振问题。当加减速时，要尽可能快地越 过共振区。 力矩 一个特定的旋转步进电机所产生的力矩是下述参数的函数： ● 步进速率 ● 通过绕组的电流 ● 所使用的驱动器的种类（直线电机所产生的力也取决于 这些因素。） 力矩是摩擦力矩（Tf）和惯性力矩（Ti）之和。 T=Tf+Ti 摩擦力矩（oz-in 或 g-cm）为所要求移动一个载荷的力（单 位为 oz 或 g）乘上用于驱动载荷的力杆臂（r）的长度（单位为 了 in 或 cm）（见图 8 所示）。 Tf=F.r 惯性力矩（Ti）为所要求用于加速负载（单位为：g-cm2） 的力矩。 Ti=I(ω/t)πθK 其中：Ｉ＝惯量，单位：g-cm2 ω＝步进速率，单位：步数／秒 t＝时间，单位：秒 θ＝步距角度，单位：度 Ｋ＝常数：97.73 应该注意到的是：当电机的步进速率增加时，电机的反向电 动势（EMF）也增加。其限制了电流，并导致可使用的输出力矩 的减少。 选择适当的电机 为了选择适当的电机，必须考虑几种因素。是要求线性运动 还是要求旋转运动？以下为选择一个电机时应考虑的一些基本 要求的清单。这将有助于确定是否要使用一个直线电机，还是要 使用一个旋转电机。 旋转电机 直线电 机 要求多大力矩？ 要求多 大力？ 工作周期是多少？ 工作周 期是多少？ 所希望的步距角是多少？ 所希望 的步进增量是多少？ 步进速率或转速（RPM）是多少？ 步进速率 或行程速度是多少？ 双极性或单极性线圈？ 双极性 或单极性线圈？ 线圈电压？ 线圈电 压？ 定位力距或保持力矩要求？ 断电时 螺杆须保持位置或可反向移动？ 是否有尺寸限制？ 是否有 尺寸限制？ 所期望的寿命要求是多少？ 所期望 的寿命要求是多少？ 工作环境温度是多少？ 工作环 境温度是多少？ 滑动轴承或滚珠轴承？ 固定轴 或贯通轴式？ 径向载荷和轴向载荷？ 驱动器 的类型？ 驱动器的类型？ 交流同步电机 步进电机也可在交流（AC）下运行。但是，其中一相必须通 过一个适当选择的电容器而得电。在这种情况下，电机限制为仅 有一个同步速度。例如，如果电源频率为 60 赫兹，则电源有 120 次反向或变更。通过电容器通电的相位也按照偏移时间顺序而产 生相同数量的变更。电机已按相当于 240 步/秒的速率线 个步长来完成一个旋转 （200SPR）。这就成了 72 转/分（RPM）的同步电机。 对于直线电机，所产生的线性速度取决于电机每步的分辨 率。例如，如果向 0.001 英寸/步的电机通 60 赫兹的电源，则所获得的速度为 0.240 英寸/秒（240 步/秒乘 0.001 英寸/步）。 驱动器 步进电机的运行需要有一些外部的电气零件。这些零件通常 有电源、逻辑程序器、开关元件和时钟脉冲源，以确定步进速率。 许多商用驱动器已经将这些零件组合成了一个整体。一些基本的 驱动器设
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