步进电机基础知识

1、步进电机 基础知识 汪鲁见作于2015年7月24日 一、步进电机的应用场合一、步进电机的应用场合 随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日 俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机使用在很 多设备上，如数控机床、医疗设备、纺织印刷、雕刻机、 激光打标机、激光内雕机、电子设备、剥线机、包装机械 、广告设备、贴标机、恒速应用、机器人、3D打印机等等 。 激光雕刻机激光雕刻机 3D3D打印机打印机 二、步进电机的原理及分类二、步进电机的原理及分类 补充补充1 1： 什么是单极性和双极性？什么是单极性和双极性？ 1、单极性：不改变绕组电流的方向，只是对几个绕组依次 循环通电。比如说四相电机

2、，有四个绕组，分别为abcd （1）：AB-BC-CD-DA-AB （2）：A-AB-B-BC-C-CD-DDA(注：AB意为AB两个 绕组同时通电，类似者同) 2、双极性：双极性不只是对几个绕组依次循环通电，而且 还要改变绕组的电流的方向。如四线双极性电机，有两个 绕组A和B，A绕的两端分别为A1、A2；B绕的两端分别为B1 、B2。 运行方式：A1A2-B1B2-A2A1-B2B1- -A1A2- 补充补充2 2 什么是相数？什么是相数？ 所谓“相数”，就是线圈组数。 目前常用的有二相、三 相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不 同。N 相步进电机有 N 个绕组。 补充补充3

3、3 步距角步距角 电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角 为为0.90.9/1.8/1.8、三相的为、三相的为0.750.75/1.5/1.5、五相的为、五相的为 0.360.36/0.72/0.72。N N 相相步进电机步进电机有有 N N 个个绕组绕组，这，这 N N 个个绕组绕组 要均匀地镶嵌在要均匀地镶嵌在定子定子上，因此上，因此定子定子的磁极数必定是的磁极数必定是 N N 的整的整 数倍，因此，数倍，因此，转子转子转一圈的步数应该是转一圈的步数应该是 N N 的整数倍；也就的整数倍；也就 是说：是说：3 3 相相步进电机步

4、进电机转一圈的步数是转一圈的步数是 3 3 的整数倍，的整数倍，4 4 相步相步 进电机转一圈的步数是进电机转一圈的步数是 4 4 的整数倍，的整数倍，5 5相步进电机转一圈相步进电机转一圈 的步数是的步数是 5 5 的整数倍；如果步进电机的基本步距角为的整数倍；如果步进电机的基本步距角为 ，转一圈的步数是，转一圈的步数是 M M ，步进电机的相数是，步进电机的相数是 N N 则有下述关则有下述关 系：系： =360/=360/M M 。 M M 必然是相数必然是相数 N N 的整数倍。跟据以上的整数倍。跟据以上 分析可以看出，基本步距角是不能取任意值的。分析可以看出，基本步距角是不能取任意值

5、的。 补充补充4 4 其它分类方式其它分类方式 步进电机在构造上有三种主要类型步进电机在构造上有三种主要类型 1.1.永磁式步进电机（永磁式步进电机（PMPM）一般为两相，转矩和体积较小，步）一般为两相，转矩和体积较小，步 进角一般为进角一般为 7.5 7.5 度度 或或 15 15 度。度。 2.2.反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角 一般为一般为 1.5 1.5 度，但噪声和振动都很大。度，但噪声和振动都很大。 3.3.混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点，它又混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点，它又 分为

6、两相和五相：两相步进角一般为分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 1.8 度而五相步进度而五相步进 角一般为角一般为 0.72 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛。度。这种步进电机的应用最为广泛。 也是本次例程所选用的步进电机。也是本次例程所选用的步进电机。 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 制器件。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

7、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。 步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路 ，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种 电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就 是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。 控制方式 三、步进电机驱动芯片三、步进电机驱动芯片 A4988 步进电机驱动模块 3.13.1、简介、简介 A4988 是一款带转换器和过流保护的 DMOS 微步驱动器， 该产品可在全、半、1/4、1/8 及1/16步进模式时操作双 极步进电动机，输出驱动性能可达 35V及2A 。 转换器是A

8、4988易于实施的关键。只要在“步进”输入中 输入一个脉冲，即可驱动电动机产生微步。无须进行相位 顺序表、高频率控制行或复杂的界面编程。A4988 界面非 常适合复杂的微处理器不可用或过载的应用。 3.23.2、产品特点、产品特点 1、只有简单的步进和方向控制接口； 2、五个不同的步进模式：全、半、1/4、1/8和1/16； 3、可调电位器可以调节最大电流输出，从而获得更高的步 进率； 4、过热关闭电路、欠压锁定、交叉电流保护； 3.33.3应用电路（和应用电路（和 Arduino UNO Arduino UNO 的连接图）的连接图） 由上图可以看出：在具体的使用中我们只要控制 STEP 和

9、DIR就可以了，可以说很是方便；在电源供电方面器件逻 辑电压 VDD 和GND 之间我们接 Arduino 的+5V 电源端， 而电机电源 VMOT 和GND之间我们需要接 8-15V（DC）;还 有关于三个模式选择端 MS1、MS2、MS3 我们全部接地也 就是全步进模式（转一圈要 200 个步进值或一个步进 1.8） ，如果要求更高的精度，我们可以通过选择其他 的模式，比如我们如果选择 1/4 步进模式，那么我们电 机转一圈就要送 800 个微步才能完成。我么下面来看看 模式选择与 MS1、MS2、MS3 之间的关系 。 设置设置A4988A4988驱动的步序对照表驱动的步序对照表 补充补

10、充1 1 细分的基本概念为：步进电机通过细分驱动器的驱动，其 步距角变小了。如驱动器工作在 10 细分状态时，其步距 角只为电机固有步距角的十分之一，也就是：当驱动 器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉 冲，电机转动 1.8；而用细分驱动器工作在 10 细分状 态时，电机只转动了 0.18。细分功能完全是由驱动器 靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。 3.4 3.4 程序程序 四、四、 使用步进电机常见问题使用步进电机常见问题 1 1、第一次使用步进电机驱动器，怎么能尽快调试到最佳状、第一次使用步进电机驱动器，怎么能尽快调试到最佳状 态？态？ 按照说明和驱动器上的标示，正

11、确接好电源和电机后，把 驱动器调节到16细分，把信号的输出频率设置到1000HZ内 ，运行无误后在慢慢加速（提高频率）细分等。 2 2、驱动器工作长时间工作外壳（散热片）比较热，正常吗、驱动器工作长时间工作外壳（散热片）比较热，正常吗 ？ 正常，在常温下外壳（散热片）达到80摄氏度不会对性能 有影响，长时间大电流工作的话，你也可以通过加装风扇 或者散热片帮助散热。 3 3、有什么简单有效的方式确定、有什么简单有效的方式确定2 2相相4 4线步进电机四条线的定线步进电机四条线的定 义？义？ 同一相的2根线是相通的，所以我们可以用万用表检测。 4 4、步进电机使用时出现振动大，失步（丢步）或者是有

12、声、步进电机使用时出现振动大，失步（丢步）或者是有声 不转等现象，为什么？不转等现象，为什么？ 步进电机与普通交流电机有很大的差别，振动大或失步是常 见的现象。产生的原因和解决的方法有以下两点。 （1 1）控制脉冲）控制脉冲 频率低速时是否处在共振点上（不同型号的电机共振点不一样），高速频率低速时是否处在共振点上（不同型号的电机共振点不一样），高速 时是否采用梯形或者其他曲线加速时是否采用梯形或者其他曲线加速。 （2 2）驱动器）驱动器 电机低速时，振动或失步，高速时正常；驱动电压过高。电机低速时电机低速时，振动或失步，高速时正常；驱动电压过高。电机低速时 正常，高速时失步；驱动电压过低。电机

13、长时间无发热现象（电机正正常，高速时失步；驱动电压过低。电机长时间无发热现象（电机正 常工作时可高达常工作时可高达70-8070-80）；驱动电流小。电机工作时过热；驱动电）；驱动电流小。电机工作时过热；驱动电 流大。流大。 5 5、为什么步进电机低速时可以正常运转，若高于一定速度、为什么步进电机低速时可以正常运转，若高于一定速度 就无法启动并伴有啸叫声？就无法启动并伴有啸叫声？ 步进电机有一个技术参数空载启动频率，即步进电机 在空载的情况下能够正常启动的脉冲频率。如果脉冲频率 高于该值，电机不能正常启动，可能发生失步或堵转。在 有负载的情况下，启动频率应该更低。如果要使电机达到 高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低， 然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升 到高速）。 6 6、步进电机控制为什么要采用梯形或其他加速方法？、步进电机控制为什么要采用梯形或其他加速方法？ 步进电机起步速度根据电机不同一般在50-250r/min,如果 希望高于此速度运转就必须先用起步以下速度起步，逐