?步進電機

步進電機的工作原理: 用脈沖信號控制電機斷續運動。

?步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（步進角）。您可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉速，從而達到調速的目的。

?步進電機的優點

?1 電機的旋轉角度和脈沖信號的數量成比例關系

?2 靜止狀態下力矩最大（繞線通電情況下）

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

?4 啟動/停止/反轉的響應快

?5 電機內無電刷，可靠性高，電機的壽命基本上只取決于軸承的壽命

?6 電機只需用開環控制的脈沖信號，控制方式簡單成本低

?7 電機軸承上的負載在超低速下也能同步轉動

?8 轉速和脈沖信號的頻率成正比，電機的轉速可以在一個寬范圍內控制

?步進電機的缺點

?1 控制不當會引起共振

?2 不易超高速運行

?步進電機的種類

?主要有三種反應式（VR），永磁式（PM） 和混合式（HB）

?1 反應式（變磁阻）步進電機 (VR=Variable Reluctance)

?如圖1，反應式步進一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發達國家80年代已被淘汰，構造如圖一所示，中心的轉子由帶齒的電磁軟鐵構成，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，通過吸引轉子齒上磁極帶動轉子轉動

?2 永磁式步進電機 (PM=Permanent Magnet)

?如圖2，永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度； PM步進電機成本低，定位精度低，步距角在7.5-15°之間（24-48 step/轉），和VR步進電機不同，轉子沒有齒。取而代之的是在轉子平行于軸的方向上交互磁化了的S和N磁極。因為轉子的磁通密度大，PM電機比VR電機的扭矩大

?3 混合式步進電機 (HB=Hybrid)

?如圖3，混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優點。和PM電機相比，價格高，不過步進精度，扭矩，速度都要好。HB電機的步進角在0.9-3.6°之間（100-400 step/轉）HB電機結合了VR和PM的優點，根據轉子上的齒型可以得到優化了的磁通路，磁力線可以被引入到指定的磁隙。

?通常使用的步進電機主要是PM型或者HB型，因為PM的價格是HB的幾分之一，所以在不知道什么電機合適的時候可以先選PM看看。

?尺寸和輸出

? 除了根據步進角分類，步進電機也根據外形尺寸來分類的。

?例如尺寸為11的步進電機本體的直徑是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，同尺寸的步進電機的本體越長扭矩越大

?由IC驅動的步進電機的功率從不到1W的小型機，到10-20瓦的大型機。通常電機廠家不會在規格書上標記電機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。通常電機的額定功率是在電機外殼溫度比環境溫度高出65°時消耗的電力。所以如果給電機裝上散熱裝置的話可以提升電機的功率。電機會在額定功率下工作，因此設計時要平衡尺寸，功率，成本三者之間的關系

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?步進電機的用途

步進電機適用于需要控制旋轉角度，速度，位置以及有同步要求的場合，因此廣泛應用在打印機，各類OA設備

?旋轉磁場

? 給定子上的繞組通電會產生磁場，其磁力線的方向遵循右手法則。圖5的B組繞線IB電流產生如圖所示的磁力線（線圈內逆時針），轉子向磁力線受阻最小的方向順時針旋轉，這時候轉子的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磁場，引導轉子旋轉。

?扭矩的產生

步進電機的扭矩和以下因素相關

-脈沖速度

-繞線勵磁電流

-驅動方式

當定子和轉子的磁力線不在一個方向時，產生扭力。 定子是導磁率高的磁性材料，就像電路中電流在導體內流動，大部分磁力線都會集中在定子的兩極。 電機所產生的扭矩大小和定子繞組所生成的磁力線的強弱成正比。磁力線的強弱可根據下面的公式計算。

H= (N x i) /I

H: 磁力線的強弱

N : 定子繞組的線圈數

i : 流經線圈的電流

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電機，通過改變繞線的參數，扭矩也將有很大的變化。

?相位，磁極和步進角

? 雖然也有3相，5相的步進電機，但更多的是兩相，本文也只介紹2相的電機。

?雙極性步進電機是指：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。雙極步進電機每相只有一個單繞組，沒有抽頭。 為了反轉磁極，繞組中的電流需要反轉，這意味著雙極步進電機驅動通常更加復雜并且通常需要H橋排列。 由于沒有公共端，每相有兩個引線，典型的兩相電機會有四根引線。 盡管雙極電機通常驅動更加復雜，但它們確實具有它們的優點，因為更好使用的繞組，雙極電機比同重量的單極電機更強大。

?單極性步進電機是指：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。因為在一個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線圈的一半而已。這種類型的步進電機由一個帶有中心抽頭的單繞組組成。 根據期望磁場的方向，繞組的每個部分接通，因為這樣，磁極可以反轉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電機上通常有6個引線（每相3個），兩個公共端可以在內部連接在一起，也就是說只有五根引線。

?磁極 被磁化的物體內磁力線集中的區域。 在電機的定子和轉子上都有磁極。圖5所示 定子上每相有兩個磁極（或稱為一對磁極），轉子上也是有幾組磁極對構成。

?為了增加電機每轉一圈的步數，意即減小步進角，可以通過增加定子和轉子的磁極對。

?對于PM型步進電機來說，轉子和定子的磁極對數量是一樣的，通常，PM電機有12對磁極。

?對于HB型的轉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一步減小（等價磁極數=360°/磁極間距）通常 步進角3.6°的HB電機有4個主磁極，1.8°或者0.9°有8個主磁極。轉子和定子的磁極數和步進角的關系如下

?步進角=360/(NPH x PH)=360/N

?NPH 每相對應的磁極數

?PH 相數

?N 所有相的總磁極對

?如果轉子和定子的齒間距不等，步進角的計算將會比較復雜

?步進電機的驅動

?通常的驅動方式有

?Wave 直接波形驅動 （1相勵磁）

?Full step全步驅動 （兩相勵磁）

?Half step半步驅動 （1-2相勵磁）

?Micro step 微步驅動 (電機的電流連續變化）

?波形驅動/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’，轉子沿8 →2 →4 →6轉動。波形驅動的缺點是雙極性電機只用了總線圈數的50%，單極性電機只用了25%，這也意味著其輸出功率有限

?全步驅動（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，轉子沿1→3 →5 →7轉動。和1相勵磁相比，兩相勵磁下轉子轉過相同的角度，但是其機械位置有1/2被offset。和雙極性電機相比，單極性只用了一半的線圈數因此輸出扭矩也少一半

?半步驅動/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， 轉子沿1-2-3-4-5-6-7-8轉動

?三種驅動方式的比較

扭矩和角度的關系

?理想的步進電機的扭矩和轉子轉角應該像如圖7所示的正弦波形。位置A和C是轉子在沒有外力和負載時停止的位置。當給轉軸施加外力Ta時，轉軸轉過角度θa，θa對應電機是加速還是減速的狀態，分別稱之為前進角或者滯后角。給轉軸施加負載讓其停止時，轉子根據θa確定停止位置。電機為了取得和負載的平衡，對于施加的外力產生扭矩Ta。隨著負載的增大，最終電機將到達保持扭矩TH (holding torque)，變為角θa也隨著增大。超過TH的話，電機進入非穩態，在這個領域，電機上會有反向扭矩產生。轉子通過這個不安定點后，進入下一個安定點。

變位角由下式可得

?X=Z/2π*sinTa/TH

?其中

?X: 角度變化量

?Z : 轉子齒數

?Ta : 負載扭矩

?TH : 電機額定保持扭矩

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

步進角的精度

步進電機得以普及的一個主要原因是其定位精度和可重復性。一般的步進電機的步進角的誤差在3~5%/step之間，而且這個誤差不會累計。此外步進電機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（步進角誤差）

指電機從保持位置轉動1步時的位置誤差。

步誤差=實測步進角-理論步進角

位置誤差（靜止角度誤差）

電機從初始位旋轉N步后（N=360/步進角），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?)

步進電機的機械指標

?步進電機機械系統的指標參數 負載，摩擦，慣性

?負載是指電機要帶動的物體。負載通常由摩擦和慣性構成

?摩擦指電機和負載的凸凹面對運動的抵抗。電機速度一定的話摩擦也一定。

?為了抵消摩檫力，在電機的全速度范圍需要不小于摩檫力的力矩。摩擦負載增大的話，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，高慣性的負載啟動時需要更大的力矩。

?轉子的震動，由摩擦或者慣性導致，可以通過機械衰減來降低轉子的震動。不過，這些不需要的震動也可以通過從全步驅動切換到半步驅動這樣的電子控制方法簡單實現

?扭矩和速度的關系

?圖10是典型的速度-扭矩曲線圖

?保持扭矩（靜態最大扭矩）

?在停止狀態下產生的最大扭矩

?牽入扭矩（pull-in）和失步轉矩（pull-out）

?如圖所示，步進電機的動態轉矩產生包括失步轉矩（pull-out-torque）和牽入轉矩（pull-in-torque）兩個轉矩。牽入轉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域。牽入曲線包圍的區域稱為自起動區域。電機同步進行正反轉起動運行，在牽入與失步區域之間為運轉區，電機在此區域內可帶相應負載同步連續運行，超出范圍的負載轉矩將不能連續運行，出現失步現象。步進電機為開環驅動控制，其負載轉矩與電磁轉矩之間要有裕度，其值應為50%~80%。

最大頻率Slew rate

電機在沒有負載的情況下可以到的最高頻率

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

速度-轉矩曲線在使用不同的驅動IC時會有很大改變。日清紡微電子（NISSHINBO）的雙極性斬波驅動IC可讓速度-轉矩曲線得以優化，讓電機發揮其最大性能。

電機廠家都會提供速度-轉矩曲線，用戶在購買電機上要關注電機廠家使用了什么驅動IC得到的速度-轉矩曲線。

?圖11是步進電機的應答特性。每給電機一個脈沖信號，轉子按照圖上曲線運動，時間t是指從印加脈沖到轉子完成1步的旋轉所要的時間，這個時間和負載以及驅動IC密切相關

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

?步進電機在特定速度時會發生共振。共振體現在轉矩消失或降低。從而導致步進缺失。造成共振的原因是脈沖頻率和轉子固有振動頻率相同。 共振多發生在100-200pps和某個高頻兩個區域。共振是步進電機的基本結構決定的無法消除，另外，共振也和所帶負載相關。可以通過half step或者micro step來降低共振

以上就是對步進電機的簡單介紹，如對步進電機的驅動IC感興趣，請關注NISSHINBO的網站

審核編輯 黃宇