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步进电机结构及工作原理-以五相步进电机为例说明

2018-05-21 17:09阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1763904565

步进电机已被广泛地应用，但用好步进电机却非易事，需要从步进电机的基础开始学习，为将来的应用打好扎实的基础。
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。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，即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。








一、步进电机的构造（以5相步进为例）


步进电机的构造主要采用图示的方式进行讲解：


步进电动机构造上大致分为定子与转子两部分。 转子由转子 1、转子 2、永久磁钢等 3 部分构成。


而且转子朝轴方向已经磁化，转子 1 为 N 极时，转子 2 则为 S 极。

步进电机结构及工作原理-以五相步进电机为例说明
定子拥有小齿状的磁极，共有 10个，皆绕有线圈。 其线圈的对角位置的磁极相互连接着，电流流通后，线圈即会被磁 化成同一极性。（例如某一线圈经由电流的流通后，对角线的磁极将 同化成 S 极或 N 极。） 对角线的 2个磁极形成 1个相，而由于有 A相至 E相等 5个相位，因此称为 5 相步进电动机。

步进电机结构及工作原理-以五相步进电机为例说明
系统构成图示
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转子的外圈由 50个小齿构成，转子 1 和转子 2 的小齿于构造上互 相错开 1/2 螺距。由此转子形成了100个小齿。目前已经有转子单个加工至100齿的高分辨率型，那么高分辨率型的转子就有200个小齿。因此其机械上就可以实现普通步进电机半步(普通步进电机半步需要电气细分达到)的分辨率。

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电动机构造图2与转轴成垂直方向的断面图

二、步进电机的运转原理。
实际上经过磁化后的转子及定子的小齿的位置关系，在此说明如下。 首先解释励磁，励磁就是指电动机线圈通电时的状态。
A相励磁
将 A 相励磁，会使得磁极磁化成 S 极，而其将与带有 N极磁性的 转子 1 的小齿互相吸引，并与带有S极磁性的转子 2 的小齿相斥， 于平衡后停止。此时，没有励磁的 B相磁极的小齿和带有 S极磁性 的转子 2 的小齿互相偏离 0.72°。以上是 A 相励磁时的定子和转子小齿的位置关系。
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B相励磁
其次由 A 相励磁转为 B 相励磁时，B 相磁极磁化成 N 极，与拥有 S极磁性的转子 2 互相吸引，而与拥有 N极磁性的转子 1 相斥。
步进电机结构及工作原理-以五相步进电机为例说明
也就是说，从 A 相励磁转换至 B 相励磁时，转子转动 0.72°。由此可知， 励磁相位随 A相→ B相→ C相→ D相→ E相→ A相依次转换，则步进电动机以每次 0.72°做正确的转动。同样的，希望作反方向转动时，只需将励磁顺序倒转，依照 A相→ E相→ D相→ C相→ B相→ A相励磁即可。
0.72°的高分辨率，是取决于定子和转子构造上的机械偏移量，所以不需要编码器等传感器即可正确的定位。下图就5相步进每次的位移量是0.72°进行更详细的说明:
步进电机结构及工作原理-以五相步进电机为例说明
由于第一组定子正好与转子相对应吸引。就势必会导致第二组定子与对应的转子相偏离（定子与转子齿距一样，但是各自所在的2个圆不一样大）。而这个偏离值正好是齿距的十分之一。因此普通5相步进的步距角为：360°/50齿/10=0.72°
高分辨率5相步进的步距角为：360°/100齿/10=0.36°
另外，就停止精度而言， 会影响的只有定子与转子的加工精度、组装精度、及线圈的直流电阻的不同等而已，因此可获得 ±3 分（无负载时）的高停止精度。 实际上步进电动机是由驱动器来进行励磁相的转换，而励磁相的转换时机则是由输入驱动器的脉冲信号所进行。以上举的是 1相位励磁的例子，实际运转时，为有效利用线圈同时进行 4相或 5相励磁的。

三、步进电动机的特征
1、运转需要的三要素：控制器、驱动器、步进电动机
步进电机结构及工作原理-以五相步进电机为例说明
以上三部分是步进电机运转必不可少的三部分。控制器又叫脉冲产生器，目前主要有PLC、单片机、运动板卡等等。
2、运转量与脉冲数的比例关系
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3、运转速度与脉冲速度的比例关系
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4、本身具有保持力
步进电机只有在通电状况下，才具备自我保持力。在停电状况下 ，自我保持力消失。
因此在升降设备传动时，务必使用附电磁刹车型步进电机。

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