步进电机工作原理

1、步进电机基本原理 步进电机是将电脉冲信号转变为转动角度的控制元件。 在正常情况下, 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。 给电机加一个脉冲信号, 电机则转过一个步距角。 这一线性关系的存在, 加上步进电机只有周期性的误差而无累积误 差等特点,使得其在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进 电机已被广泛地应用, 但步进电机并不能象普通的直流电机, 交流电机在常规下使用。 它必 须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。 因此用好步进电机却非易 事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电

2、机的厂家的确 不少,但具有专业技术人员,能够自行开发,研制的厂家却非常少,大部分的厂家只一、二 十人,连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用 中造成许多麻烦。 签于上述情况, 我们决定以广泛的感应子式 (就是我们的正在使用的混合 式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有 所帮助。一、 步进电动机有如下特点 1步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此,当它转一圈后,没有累计 误差,具有良好的跟随性。2 由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统,既简单、廉价,又非常可靠,同 时,它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数

3、控系统。3 步进电动机的动态响应快,易于启停、正反转及变速。4 速度可在相当宽的范围内平稳调整,低速下仍能获得较大转距,因此一般可以不 用减速器而直接驱动负载。5 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行,不能直接使用交流电源和直流电源。6 步进电机存在振荡和失步现象,必须对控制系统和机械负载采取相应措施。二、 步进电动机的种类现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR 、永磁式步进电机(PM 、混合 式步进电机(HB 和单相式步进电机等。 1 反应式步进电动机(VR。反应式步进电动机结构简单,生产成本低,步距角小;但动态性能差。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 1.5

4、度,但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成, 定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。2 永磁式步进电动机(PM。永磁式步进电动机出力大,动态性能好;但步距角大。 永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为 7.5度 或 15度; 3混合式步进电动机(HB。混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点,它的步距角小,出力大,动态性能好,是目前性能最高的步进电 动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为 1.8度而五相步进角一般为 0.72度。 这种步进电机的应用最

5、为广泛, 也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。 三、反应式步进电机工作原理反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。 下面先叙述三相反应式步 进电机原理。1 结构:图 1是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。电机的定子上有六个均布的磁极,其夹角是 60。各磁极上套有线圈,按图 1连成 A、B、C 三相绕 组。转子上均布 40个小齿。所以每个齿的齿距为 E=360/40=9,而定子每个 磁极的极弧上也有 5个小齿,且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转 子的小齿数目分别是 30和 40,这就产生了所谓的齿错位的情况。 图 1 三相反应式步进电动机的结构示意图1定子 2转

6、子 3定子绕组2 旋转:若开始时 A 相磁极小齿和转子的小齿对齐,如图 1,那么 B 相和 C 相磁极 的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距,即 3。 此时若只给 B 相通电,转 子受到反应转矩(磁阻转矩的作用而转动,直到 B 磁极上的齿与转子齿对齐, 恰好转子转过 3;此时 A、C 磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接 着改为只给 C 相绕组通电,转子将按顺时针方向再转过 3。依次类推,当三相绕 组按 ABCA 顺序循环通电时,转子会按顺时针方向,以每个通电脉冲转动 3的规律步进式转动起来。若改变通电顺序,按 ACBA 顺序循环通电,则 转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动 3的规

7、律转动。3 力矩: 电机一旦通电, 在定转子间将产生磁场。 当转子与定子错开一定角度产生 力 F 与磁场强度成正比。电机有效体积越大,励磁电流和线圈圈数越大,定转子 间气隙越小,电机力矩越大,反之亦然。四、 感应子式步进电机(我们正在用的电机属于这一类1 结构: 感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比, 结构上转子加有永磁体, 以提供软磁材料的工作点,而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工 作点的耗能,因此该电机效率高,电流小,发热低。因永磁体的存在,该电机具 有较强的反电势, 其自身阻尼作用比较好, 使其在运转过程中比较平稳、 噪音低、 低频振动小。感应子式步进电机某种程度上可以

8、看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四 相运行,也可以作二相运行。(必须采用双极电压驱动,而反应式电机则不能 如此。例如:四相,八相运行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A完全可以采用二相八拍 运行方式.不难发现其条件为 C= ,D= . 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全 一致,小功率电机一般直接接为二相,而功率大一点的电机,为了方便使用,灵 活改变电机的动态特点,往往将其外部接线为八根引线(四相,这样使用时, 既可以作四相电机使用,可以作二相电机绕组串联或并联使用。2 分类:感应子式步进电机以相数可分为 :二相电机、三相电机、四相电机、五相 电机等。以机座号(电机外径可分为:4

9、2BYG(BYG为感应子式步进电机代号、 57BYG、86BYG、110BYG、(国际标准,而像 70BYG、90BYG、130BYG 等均为国内 标准。五、 步进电机的一些基本参数:1 电机固有步距角: 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度。 电机出厂时给出了一个步距角的值, 如 86BYG250A 型电机给出的值为 0.9/1.8(表示半步工作时为 0.9、 整步工作时为 1.8 , 这个步距角可以称之为电 机固有步距角,它不一定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱 动器有关。2 步进电机的相数: 是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、 五相步进电

10、机。电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电机的步距角为 0.9/1.8、 三相的为 0.75/1.5、 五相的为 0.36/0.72 。 在没有细分驱动 器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用 细分驱动器,则相数将变得没有意义,用户只需在驱动器上改变细分数,就 可以改变步距角。3 保持转矩(HOLDING TORQUE:静转矩:是指步进电机通电但没有转动时(不输 入步进脉冲或者说输入直流信号,定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要 的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出 力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,

11、所以保持转矩 就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。 比如, 当人们说 2N.m 的步进电机, 在 没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 2N.m 的步进电机。 此力矩是衡量电机体 积(几何尺寸的标准,与驱动电压及驱动电源等无关。4 DETENT TORQUE:定位转矩:是指步进电机没有通电的情况下,定子锁住转子的 力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式,容易使大家产生误解;由于 反应式步进电机的转子不是永磁材料,所以它没有 DETENT TORQUE。用手旋转转 子时能感觉到。5 步距角精度: 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。 一般步进电 机的精度为步进角的

12、 3-5%,且不累积。6 失步: 电机运转时运转的步数,不等于理论上的步数。称之为失步。7 失调角: 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度, 电机运转必存在失调角, 由失调角 产生的误差,采用细分驱动是不能解决的。8 最大空载起动频率: 电机在某种驱动形式、 电压及额定电流下, 在不加负载的情 况下,能够直接起动的最大频率。 就是最大的 突增(突然增大 步进频率。步 进电机在空载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,并伴有啸叫声。可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频 率应更低。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

13、度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速。9 最大空载的运行频率: 电机在某种驱动形式, 电压及额定电流下, 电机不带负载 的最高转速频率。10 运行矩频(力矩和步进频率特性 : 电机在某种测试条件下测得运行中输出力 矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性,这是电机诸多动态曲线中最重要的,也 是电机选择的根本依据。11 其他特点 1 步进电机外表允许的最高温度: 步进电机温度过高首先会使电机的 磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的最高温度应 取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材料的退磁点都在摄氏 130度以上,有的甚至高达摄氏 200度以上,所以步进电机外表温

14、度在摄氏 80-90度 完全正常。12 其他特点 2 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 当步进电机转动时,电机 各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。加载线圈 上的有效电压就被消减了,(供点电压减去反电动势在它的作用下,电机随频 率(或速度的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。六、 步进电机驱动器的原理步进电机的运行要有一电子装置进行驱动, 这种装置就是步进电机驱动器, 它是把控 制系统发出的脉冲信号,加以放大以驱动步进电机。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正 比,控制步进脉冲信号的频率,可以对电机精确调速;控制步进脉冲的个数,可以对电机精 确定位。 步进电动机不能

15、直接接到工频交流或直流电源上工作, 而必须使用专用的步进电动 机驱动器,如图2所示,它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点 划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。 驱动单元与步进电动机直接耦合, 也可理解 成步进电动机微机控制器的功率接口,这里予以简单介绍。典型的步进电机驱动控制系统主要由三部分组成:1 步进控制器,由单片机实现。2 驱动器,把单片机输出的脉冲加以放大,以驱动步进电机。3 步进电机。4 典型的步进电机驱动控制电路图如下 图 2 步进电动机 驱动控制器斩波恒流功率驱动恒流驱动的设计思想是, 设法使导通相绕组的电流不论在锁定、 低频、 高频工作时均保 持固定

16、数值。使电机具有恒转矩输出特性。这是目前使用较多、效果较好的一种功率接口。图6是斩波恒流功率接口原理图。 图中R是一个用于电流采样的小阻值电阻, 称为采样电 阻。当电流不大时,VT1和VT2同时受控于步进脉冲,当电流超过恒流给定的数值,VT2被封 锁,电源U被切除。由于电机绕组具有较大电感,此时靠二极管VD续流,维持绕组电流,电 机靠消耗电感中的磁场能量产生出力。 此时电流将按指数曲线衰减, 同样电流采样值将减小。 当电流小于恒流给定的数值,VT2导通,电源再次接通。如此反复,电机绕组电流就稳定在 由给定电平所决定的数值上,形成小小的锯齿波,如图6所示。图 6 斩波恒流功率驱动接口斩波恒流功率

17、驱动接口也有两个输入控制信号, 其中u1是数字脉冲, u2是模拟信号。 这 种功率接口的特点是:高频响应大大提高,接近恒转矩输出特性,共振现象消除,但线路较 复杂。目前已有相应的集成功率模块可供采用。细分的基本概念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。 步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术,其

18、主要目的是提高电机的运转精度, 实现步进电机步距角的高精度细分。 其次, 细分技术的附带功能是减弱或消除步进电机的低 频振动,低频振荡是步进电机(尤其是反应式电机的固有特性,而细分是消除它的唯一途 径,如果步进电机有时要在共振区工作(如走圆弧,选择细分驱动器是唯一的选择。 驱动器细分后的主要优点为:完全消除了电机的低频振荡; 提高了电机的输出转矩, 尤 其是对三相反应式电机,其力矩比不细分时提高约30-40% ;提高了电机的分辨率,由于减 小了步距角、提高了步距的均匀度, 提高电机的分辨率 是不言而喻的。以上这些优点,尤其是在性能上的优点,并不是一个量的变化,而是质的飞跃。 因此,在性能上的优

19、点是细分的真正优点。由于细分驱动器要精确控制电机的相电流, 所以对驱动器要有相当高的技术要求。RS232接口RS232接口是 1970年由美国电子工业协会(EIA 联合贝尔系统、调制解调器厂家及 计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是 “ 数据终端设备(DTE 和数据通讯设备(DCE 之间串行二进制数据交换接口技术标准 ” 该标准规定采用一个 25个脚的 DB25连接器,对连接器的每个引脚的信号内容加以规定,还对各种信号的电平加 以规定。 DB25的串口一般只用到的管脚只有 2(RXD 、 3(TXD 、 7(GND 这三个, 随着设备的不断改进,现在 DB25针很少看到了

20、,代替他的是 DB9的接口, DB9所用到的 管脚比 DB25有所变化, 是 2(RXD 、 3(TXD 、 5(GND 这三个。 因此现在都把 RS232接口叫做 DB9。元器件常识:市场上把公头的接插件叫做 DRXX ,母头的叫 DBXX ,比如我们电 脑上的串口,在市场上叫做 DR9,不是 DB9,很多人都误叫做 DB9,实际上的 DB9是两个 把两个 DR9互相连接在一起的接口。在文章中,我把所有的串口设备接口都统一叫做 RS232接口。RS-485接口由于 RS232接口标准出现较早,难免有不足之处,主要有以下四点:(1 接口的信号电平值较高,易损坏接口电路的芯片,又因为与 TTL

21、电平不兼容故 需使用电平转换电路方能与 TTL 电路连接。(2传输速率较低,在异步传输时,波特率为 20Kbps ; 综合程序波特率只能采用 19200,也是这个原因。我们的传输率 57.6K(3接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式,这种共地传输容 易产生共模干扰,所以抗噪声干扰性弱。(4传输距离有限,最大传输距离标准值为 50英尺,实际上也只能用在 50米左右。RS-485针对 RS232接口的不足, 于是就不断出现了一些新的接口标准, RS-485就是其中之一, 它具有以下特点:1. RS-485的电气特性:逻辑 “1” 以两线间的电压差为 +(26 V 表示;逻辑 “0

22、” 以两 线间的电压差为 -(26 V 表示。接口信号电平比 RS-232降低了,就不易损坏接口电路的 芯片,且该电平与 TTL 电平兼容,可方便与 TTL 电路连接。2. RS-485的数据最高传输速率为 10Mbps 。3. RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干能力增强,即抗噪声 干扰性好。4. RS-485接口的最大传输距离标准值为 4000英尺, 实际上可达 3000米, 另外 RS-232接口在总线上只允许连接 1个收发器,即单站能力。而 RS-485接口在总线上是允许连接多 达 128个收发器。 即具有多站能力 , 这样用户可以利用单一的 RS-485接口方

23、便地建立起设备 网络。因为 RS485接口组成的半双工网络,一般只需二根连线(我们一般叫 AB 线,所以 RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。RS232/RS485转换电路由于有的设备是 232接口的,有的是 485接口的,如果有一台 232接口的设备与一台 485接口的设备通信, 那就需要一个转换器, 把 232接口的设备的 232信号转换成 485信号, 然后再与 485接口的设备通信,这个转换器就是 RS232/RS485转换电路。如果是两台 232接口的设备要进行远距离的通信,那只要加上两个 RS232/RS485转换电路就可以了。以上的 RS232/RS485转换电路上采用从计算机串

24、口偷电技术,市场上称之为 “ 无源 RS232/RS485转换电路 ” ,而 “ 有源 RS232/RS485转换电路 ” ,电路原理图与上图差不多,只 是电源部分改点而已,有兴趣的朋友可以到网上搜索下这方面的资料,很多的。CAN bus1引言CAN 总线是英文(Controller Area Net的缩写,它与传统的 BITBUS 都属于总线式通 讯网络,但两者却有本质区别。以往国内很多用户由于没有更好的选择,都采用 BITBUS 作为通讯的桥梁,其特点为:1主从结构网络上只能有一个主节点,其余均为从节点。其 造成的危害:由于一个 BITBUS 网络上只能有一个主节点,无法构成多主冗余结构的

25、系统, 因而对主节点的可靠性要求特别高, 否则一旦主节点出现故障, 则整个系统将处于瘫痪状态; 2数据通讯方式为命令响应型,网络上任一次数据传输都是由主节点发出命令开始,从节 点接到命令后以响应方式传给主节点, 这一特点使得网络上的数据传输效率大大降低, 且使 主节点控制器非常繁忙; 同时下端出现异常时, 数据不能立即上传, 必须等待主节点下发命 令,灵活性极差,在许多实时性要求较高的场合,这是致命的弱点,有可能造成重大事故; 3 BITBUS 与 PC 机之间存在着数据交换的瓶颈现象。尽管 BITBUS 本身的数据传输率很 高,可达 2. 4 MBPS,但是由于 PC 上的接口板 PCX34

26、4板与 PC 总线之间的数据交换是一 个一个字节进行的,从而使得 PCX344与 PC 总线之间的数据交换速率实际上很低,从而产 生了严重的瓶颈现象,大大影响了数据交换的速度; 4 BITBUS 的物理层采用的是较陈旧 的 RS422/485规范,链路层为 SDLC 协议,总体来讲效率较低,灵活性差,尤其是其错误 处理能力不强。用户采用了 CANBUS 总线技术, 则使上述问题得到了很好得解决。 CAN 网络中任一节 点均可作为主节点主动地与其他节点交换数据,彻底解决了 BITBUS 中长久以来一直困扰 人们的从节点无法主动地与其他节点交换数据的问题, 并由此而给用户的系统设计提供了极 大的灵

27、活性并可大大地提高其系统性能。 CAN 网络中的节点可分优先级,这对于有实时要 求的用户无疑又是一个福音,这也是 BITBUS 无法比拟的。另外, CANBUS 的物理层及链 路层采用独特的实际技术,使其在抗干扰、错误检测能力方面的特性远远超过 BITBUS ,值 得一提的是我们开发的 CANBUS 接口板是在充分吸取 BITBUS 接口板的不足的基础上精心 设计的,其与主机的数据交换速率、数据处理能力、抗干扰等性能也远远超过 BITBUS 产 品。2 主要特性 （3）CANBUS 可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络 上的其他节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活

28、。利用这一特点也可方便地构成多机备 分系统； （4）CANBUS 网络上的节点可分成不同优先级，可以满足不同的实时要求； （5）CANBUS 采用非破坏性总线仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据信息时， 优先级低的节点主动停止数据发送， 而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据， 大大节 省了总线冲突裁决时间； （6）CANBUS 可以点对点，一点对多点（成组）及全局广播几种方式传送收发数据； （7）CANBUS 的直接通讯距离最远可达 10kM/5Kbps；1Km/1Mbps （8）CANBUS 上的节点数实际可达 110 个，理论上可达 2000 个； （9）CANBUS 采用短帧结构，每一帧的有效字节数为 8 个，这样传输时间短，受干扰的 概率低，重新收发时间短； （10）CANBUS 每帧信息都有 CRC 校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低； （11）通讯介质采用廉价的双绞线即可，无特殊要求； （12）CAN 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，