步进电机结构及原理

Posted 2022-11-18 Frey_Liu

步进电机结构及原理

• 步进电机结构
• • 步进电机的转子
  • 步进电机的定子
• 步进电机原理
• • 步进电机基本工作原理
  • 准确位置控制
• 步进电机的控制过程
• 步进电机参数
• • 负载
  • 速度-力矩曲线
  • 加速/减速运动控制
  • 振动与噪音
  • 转轴负载条件(单位：N)
• 步进电机的特点
• 参考

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。通过控制施加在电机线圈上的电脉冲顺序、 频率和数量， 可以实现对步进电机的转向、 速度和旋转角度的控制。在不借助带位置感应的闭环反馈控制系统的情况下、 使用步进电机与其配套的驱动器共同组成的控制简便、 低成本的开环控制系统， 就可以实现精确的位置和速度控制。如，配合以直线运动执行机构或齿轮箱装置，更可以实现更加复杂、精密的线性运动控制要求。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机结构

步进电机一般由前后端盖、轴承、中心轴、转子铁芯、定子铁芯、定子组件、波纹垫圈、螺钉等部分构成，步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，是由缠绕在电机定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在定子齿槽上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。

步进电机的转子

• 永磁转子，转子是与定子电路产生的磁场对准的永磁体，可以保证良好的扭矩和自动扭矩，即使没有线圈通电，电机也可抵抗位置变化，缺点是它具有较低的速度和较低的分辨率。
  

• 可变磁阻转子，转子由铁芯制成，并具有使其与磁场对准的特定形状，更容易达到更高的速度和分辨率，但通常产生的扭矩更低，没有制动扭矩。

• 混合转子，具有特定结构，是永磁体和可变磁阻版本的混合体，转子带有交替齿的盖并轴向磁化。这种配置使电动机极同时具有两者的优点，特别是高分辨率，速度和扭矩，具有更高性能也具有更复杂的结构。
  

步进电机的定子

定子电路的主要特征包括其相数和极对数以及导线配置。相数是独立线圈的数目，而极对数则表示每个相如何占据主要的齿对。最常用的是两相步进电机（如下图左为两相单极对定子，右为两相偶极对定子），不常用的是三相和五相电机。

步进电机原理

步进电机驱动器根据外来的控制脉冲和方向信号，通过其内部的逻辑电路，控制步进电机的绕组以一定的时序正向或反向通电， 使得电机正向/反向旋转，或者锁定。

以1.8度两相步进电机为例：

• 当两相绕组都通电励磁时，电机输出轴将静止并锁定位置。在额定电流下使电机保持锁定的最大力矩为保持力矩。
• 如果其中一相绕组的电流发生了变向，则电机将顺着一个既定方向旋转一步（1.8度）。
• 同理，如果是另外一项绕组的电流发生了变向，则电机将顺着与前者相反的方向旋转一步（1.8度）。
• 当通过线圈绕组的电流按顺序依次变向励磁时，则电机会顺着既定的方向实现连续旋转步进，运行精度非常高。对于 1.8度两相步进电机旋转一周需200步。

两相步进电机有两种绕组形式：双极性和单极性。

• 双极性电机每相上只有一个绕组线圈，电机连续旋转时电流要在同一线圈内依次变向励磁，驱动电路设计上需要八个电子开关进行顺序切换。
• 单极性电机每相上有两个极性相反的绕组线圈，电机连续旋转时只要交替对同一相上的两个绕组线圈进行通电励磁。驱动电路设 计上只需要四个电子开关。在双极性驱动模式下，因为每相的绕组线圈为100%励磁，所以双极性驱动模式下电机的输出力矩比单极性驱动模式下提高了约 40%。
  

步进电机基本工作原理

步进电机内部结构决定可通过简单的计算步骤的执行方式即可知道轴的准确角位置，无需霍尔传感器。

步进电机通过给一个或多个定子相通电，线圈中流动的电流会产生磁场，并且转子与磁场对齐。通过依次提供不同的相位，转子可以旋转特定的位移量以达到所需的最终位置。
下图显示工作原理，线圈A通电，转子与定子产生的磁场对齐，线圈B通电后，转子顺时针旋转60度以与新的磁场对齐。线圈C通电时也会发生同样的情况，

准确位置控制

步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过的角度，这个角度称为基本步距角。步进电机以一个固定的步距角转动，就像时钟内的秒针。常见的有基本步距角为1.8°两相步进电机和基本步距角为1.2°的三相步进电机，此外，其它基本步距角的步进电机，分别是0.72°，0.9°，1.5°，3.6°，3.75°。

• 步进电机的转动距离正比于施加到驱动器上的脉冲信号数（脉冲数）。
  步进电机转动（电机出力轴转动角度）和脉冲数的关系如下所示：
  

• 步进电机的转速与施加到驱动器上的脉冲信号频率成比例关系。
  电机的转速[r/min] 与脉冲频率[Hz] 的关系如下（整步模式）：
  

• 步进电机的重要特征之一是高力矩、小体积。
  这些特征使得电机具有优秀的加速和响应，使得这些电机非常适合那些需要频繁启动和停止的应用中。
  相同尺寸下的伺服电机与步进电机的速度力矩特性比较
  
  装有电磁刹车的电机，一旦电源被切断，电机自身的保持力矩丢失，电机不能在垂直操作中或施加外力作用下保持在停止位置。在提升和其它相似应用中需要使用带电磁刹车的电机。

步进电机的控制过程

步进电机参数

负载

• A. 力矩负载 (Tf)
  Tf = G * r
  G： 负载重量
  r： 半径

• B. 惯量负载 (TJ)
  TJ = J * dw/dt
  J = M * (R12+R22) / 2 (Kg * cm)
  M: 负载质量
  R1: 外圈半径
  R2: 内圈半径
  dω/dt: 角加速度

速度-力矩曲线

速度-力矩曲线是步进电机输出特性的重要表现形式。

• A. 工作频率点
  电机在某一点的转速值。
  n = q * Hz / (360 * D)
  n: 转/秒
  Hz: 频率值
  D: 驱动电路细分值
  q: 步距角

  例如： 距角1.8°的步进电机， 在 1/2 细分驱动方式下(即每步 0.9°) ， 工作频率 500Hz 时的转速为1.25r/s.

• B. 自启动区域
  步进电机可以直接启动和停止的区域。

• C. 连续运行区域
  在该区域内， 电机无法直接启动或停止。 电机在该区域内运行必须先经过自启动区域， 然后经过加速达到该工作区域运行。 同理， 电机在该区域内也无法直接制动， 否则容易造成电机失步， 必须先经减速到达自启动区域内再制动。

• D. 最高启动频率
  电机空载状态下， 保证电机不丢步运行的最大脉冲频率。

• E. 最高运行频率
  空载情况下， 已励磁电机运行而不丢步的最高脉冲频率。

• F. 启动力矩/牵入力矩
  满足步进马达在一定脉冲频率下启动并开始运行， 不失步的最大负载力矩。

• G. 运行力矩/牵出力矩
  满足步进马达在一定脉冲频率下稳定运行， 不失步的最大负载力矩。

加速/减速运动控制

当电机运行频率点在速度-力矩曲线的连续运行区域内时， 如何缩短电机启动或停止时的加速或减速时间， 使电机更长时间地运行在最佳速度状态， 从而提高电机的有效运行时间是非常关键的。

如下图所示， 步进电机的动态力矩特性曲线， 低速运行时曲线为水平直线状态； 高速运行时， 由于受到电感的影响， 曲线发生了指数下降。

• A. 低转速状态下的直线加速运行
  已知电机负载为TL， 假设想从F0 在最短时间 (t r)内加速到F1， 如何来计算最短时间 t r ?

  (1) 通常情况下 TJ = 70%Tm
  (2) tr = 1.8 * 10 -5 * J * q * (F1-F0)/(TJ -TL)
  (3) F (t) = (F1-F0) * t/tr + F0, 0<t<tr

• B. 高转速状态下的指数加速运行

  (1) 通常情况下
  TJ0 = 70%Tm0
  TJ1 = 70%Tm1
  TL = 60%Tm1
  (2)
  tr = F4 * In [(TJ 0-TL)/(TJ 1-TL)]
  (3)
  F (t) = F2 * [1 – e^(-t/F4)] + F0, 0<t<tr
  F2 = (TL-TJ 0) * (F1-F0)/TJ 1-TJ 0)
  F4 = 1.8 * 10-5 * J * q * F2/(TJ 0-TL)
  备注：
  J 表示电机转子加负载时的转动惯量。
  q 表示每一步的转动角度， 在整部驱动时就是指电机的步距角。
  在减速运行时， 只需将上述的加速脉冲频率反转过来计算就可以了。

振动与噪音

一般来讲， 步进电机在空载运行情况下， 当电机的运行频率接近或等于电机转子的固有频率时会发生共振，严重的会发生失步现象。

针对共振的几种解决方案:

• A. 避开振动区：使电机的工作频率不落在振动范围内。

• B. 采用细分的驱动模式：使用微步驱动模式， 将原来的一步细分为多步运行， 提高电机的每步分辨率， 从而降低振动。这可以通过调整电机的相电流比来实现的。微步并不会增加步距角精确度， 却能使电机运行更加平稳， 噪音更小。一般电机在半步运行时， 力矩会比整步时小15%， 而采用正弦波电流控制时， 力矩将减小30%。

转轴负载条件(单位：N)

步进电机的特点

步进电机的旋转是以固定的角度一步一步运行的，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率，来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装。

步进电机工作时的位置和速度信号不反馈给控制系统，如果电机工作时的位置和速度信号反馈给控制系统，那么它就属于伺服电机。相对于伺服电机，步进电机的控制相对简单，但不适用于精度要求较高的场合。

步进电机的优点和缺点都非常的突出，优点集中于控制简单、精度高，缺点是噪声、震动和效率，它没有累积误差，结构简单，使用维修方便，制造成本低。步进电机带动负载惯量的能力大，适用于中小型机床和速度精度要求不高的地方，缺点是效率较低、发热大，有时会“失步”。

• 优点

  1. 电机操作易于通过脉冲信号输入到电机进行控制；
  2. 不需要反馈电路以返回旋转轴的位置和速度信息——开环控制；
  3. 由于没有接触电刷而实现了更大的可靠性。

• 缺点

  1. 需要脉冲信号输出电路；
  2. 当控制不适当的时候，可能会出现同步丢失；
  3. 由于在旋转轴停止后仍然存在电流而产生热量。

	步进电机	有刷电机	无刷电机
旋转方法	通过驱动电路按决定电枢绕组各相（有两相、三相、五相）的顺序励磁。	通过电刷和换向器的滑动接触式整流机构，切换电枢电流。	通过用磁极位置传感器和半导体开关代替电刷和换向器的功能来实现无刷。
驱动电路	需要	不需要	需要
转矩	转矩比较大。（特别是低速时的转矩）	启动转矩大，转矩与电枢电流成正比。	（中～高速时的转矩比较大）
旋转速度	与输入脉冲频率成正比。在低速范围有失步区	与电枢施加电压成正比。速度随着负载转矩的增加而下降	同左
高速旋转	高速旋转有难度（需要放慢速度）	由于电刷和换向器整流机构的限制，最高可到几千rpm	最高可到几千～几万rpm
旋转寿命	由轴承寿命决定。几万小时	受电刷和换向器磨损的限制。几百～几千小时	由轴承寿命决定。几万～几十万小时
正转和反转方法	需要改变驱动电路励磁相的顺序	使引脚电压的极性相反即可反转	需要改变驱动电路励磁相的顺序
控制性	可进行旋转速度和位置（旋转量）由指令脉冲决定的开环控制（但存在失步问题）	恒速旋转需要速度控制（使用速度传感器的反馈控制）。由于转矩与电流成正比，因此转矩控制很容易	同左
获取的难易程度	容易：品种比较多	容易：制造商和品种多，选项多	困难：主要是针对特定应用的专用电机
价格	如果包括驱动电路，则价格较贵。比无刷电机便宜	相对便宜，无芯电机因其磁铁升级而有点贵。	如果包括驱动电路，则价格较贵。

参考

步进电机基本结构和工作原理
步进电机结构及其基本工作原理
步进电机知识详解，再不怕看不懂步进电机了！
40页PPT详解步进电机
3D动画演示 | 步进电机内部结构与工作原理