两相步进电机原理？
虽然步进电机已经得到了广泛的应用，但步进电机不能像普通的DC电机和交流电机那样用于日常工作中。必须由双环脉冲信号和功率驱动电路组成的控制系统使用。所以，用好步进电机并不容易，涉及到机械、电机、电子、计算机等诸多专业知识。
目前步进电机的生产厂家确实很多，但是有专业技术人员能自主开发的厂家很少。大部分只有一二十个人，连最基本的设备都没有。只是处于盲目模仿阶段。这给用户在产品选择和使用上造成了很多困扰。鉴于以上情况，我们决定以广泛使用的感应式步进电机为例。描述其基本工作原理。希望能对广大用户在整机的选择、使用和改进上有所帮助。
二、感应式步进电机的工作原理
(一)反应式步进电机的原理
因为反应式步进电机的工作原理比较简单。下面介绍三相反应式步进电机的原理。
1，结构:
电机转子上有许多均匀分布的小齿，定子齿有三个励磁绕组，它们的几何轴线依次与转子齿轴线错开。0，1/3て，2/3て(两相邻转子齿轴之间的距离为齿距，用て表示)，即a与齿1对齐，b向右错开1/3て，c向右错开2/3。
2.旋转:
如果A相通电，B相和C相断电，由于磁场，齿1与A对齐(这同样适用于没有任何力的转子)。如果b相通电，而a相和c相断电，齿2应与b对齐。此时，转子通过1/3て.向右移动此时，齿3和c被1/3て偏移，齿4和a被偏移(て-1/3 て).
如果c相通电，a相和b相未通电，齿3应与c对齐。此时，转子向右移动1/3て，齿4和a的偏移量为1/3て.如果a相通电，b相和c相断电，齿4与a对齐，转子通过1/3て.向右移动这样，A、B、C、A分别通电后，齿4(即齿1之前的齿)运动到A相，电机转子向右转动一个节距。如果连续按A，B，C，如果你按A，C，B，A...为了通电，电机将反转。
通过导通次数(脉冲数)和频率可以看出电机的位置和速度是一一对应的。并且方向由传导顺序决定。
但是，为了扭矩、稳定性、噪音和角度的降低。经常采用A-AB-B-BC-C-CA-A的导电状态，将原来的步长由1/3改为1/6。甚至通过两相电流的不同组合，由1/3て变为1/12て和1/24て，这是电机细分驱动的基本理论基础。
不难推导出电机定子上有M相励磁绕组，其轴线与转子齿轴的偏移分别为1/m，2/m … (m-1)/m，1。并且可以通过电机按照一定的相序正反转来控制导通——这是步进电机转动的物理条件。只要满足这个条件，理论上就可以制造任何相的步进电机。考虑到成本等方面，市面上一般有二期、三期、四期、五期。
3.扭矩:
一旦电机通电，定子和定子之间就会产生磁场(磁通量ф)。当转子和定子错开一定角度时，力F与(dф/dθ)成正比。S为磁通量ф= Br * S Br为磁密，S为导磁面积F与L*D*Br成正比，L为铁芯有效长度，D为转子直径Br = n I/r n I为励磁绕组的安匝数(电流乘以匝数)。
力矩=力*半径
转矩与电机有效体积*安匝数*磁密度成正比(只考虑线性状态)。因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子气隙越小，电机转矩越大，反之亦然。
(2)感应步进电机
1，功能:
与传统的反应式步进电机相比，感应式步进电机在转子上有永磁体提供软磁材料的工作点，而定子励磁只需要提供变化的磁场，不需要提供磁性材料工作点的能量消耗，因此电机效率高、电流小、发热低。由于永磁体的存在，电机有很强的反电动势，自身阻尼效果更好，运行时更加平稳，噪音低，低频振动小。
感应子步进电机在某种程度上可以看作是一种低速同步电机。一台四相电机可以做四个
相运行，也可以进行两相运行。(必须用双极电压驱动)，而无功电机不能。比如四相八相运行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用两相八拍运行模式。不难发现，它的条件是C=，D=。
两相电机的内部绕组与四相电机完全相同。一般来说，小功率电机直接连接到两相电机。为了使用方便和灵活改变电机的动态特性，电机的外部接线往往是八引线(四相)，可以作为四相电机或两相电机绕组串联或并联使用。
2.分类
感应子步进电机按相数可分为两相电机、三相电机、四相电机和五相电机。按帧数(电机外径)分为:42BYG(BYG是感应步进电机的代号)、57BYG、86BYG、110BYG(国际标准)，而70BYG、90BYG、130BYG都是国内标准。
3.步进电机静态指标术语
相数:产生具有不同对极的N和S磁场的励磁线圈对的数量。经常用m来表示。
拍数:完成磁场或导电状态的周期性变化所需的脉冲数用n表示，或指电机旋转一个桨距角所需的脉冲数。以一台四相电机为例，有四相四拍运行方式，即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式，即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A .
步距角:对应一个脉冲信号，电机转子的角位移用θ表示。θ=360度(转子齿数J*运行节拍数)，以常规的50转子齿的两相、四相电机为例。四拍的步角θ=360度/(50*4)=1.8度(俗称全音步)，八拍的步角θ=360度/(50*8)=0.9度(俗称半音步)。
定位力矩:电机不通电时电机转子本身的锁紧力矩(由磁场齿廓谐波和机械误差引起)。
静态扭矩:电机在额定静电下不转动时电机轴的锁紧扭矩。这个扭矩是衡量电机体积(几何尺寸)的一个标准，与驱动电压和电源无关。
虽然静转矩与电磁励磁安匝数成正比，与定转子气隙有关，但不宜过分减小气隙和增加励磁安匝数来提高静转矩，这样会造成电机发热和机械噪声。
4、步进电机动态指示器和术语:
1，步距角精度:
步进电机每一步角的实际值与理论值之间的误差。用百分比表示:误差/步距角*100%。不同跑步节拍的数值不一样，四拍应该在5%以内，八拍15%。
在里面。
2.不同步:
电机运行时的步数不等于理论步数。称之为不合拍。
3.错位角度:
当转子齿轴偏离定子齿轴时，电机运行中必然存在失准角，而失准角带来的误差是细分驱动无法解决的。
4.最大空载启动频率:
电机在一定的驱动形式、电压和额定电流下，空载时能直接启动的最高频率。
5.最大空载工作频率:
在一定的驱动形式、电压和额定电流下，电机空载时的最高转速频率。
6.操作扭矩-频率特性:
电机在一定试验条件下测得的输出转矩与频率的关系曲线称为工作转矩-频率特性，它是电机众多动态曲线中最重要的，是电机选型的基本依据。如下图所示:
其他特性还包括惯性频率特性、起动频率特性等等。
一旦选择了电机，电机的静态转矩就确定了，而动态转矩没有确定。电机的动态转矩取决于电机运行时的平均电流(不是静态电流)。平均电流越大，电机的输出转矩越大，即电机的频率特性越硬。
其中，曲线3的电流最大或电压最高；曲线1的电流或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使用电感小电流大的电机。
7、电机* * *振动点:
步进电机有固定的* *振动区域。一般两相和四相感应步进电机的* *振动区域在180-250pps之间(步角1.8度)或400pps左右(步角0.9度)。电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小。
8、电机正反转控制:
电机绕组通电顺序为AB-BC-CD-DA或()时，为正转，通电顺序为DA-CA-BC-AB或()时，为反转。
三、驱动控制系统的组成
步进电机的使用和控制必须是由环形脉冲和功率放大组成的控制系统，其框图如下:
1，脉冲信号的产生。
脉冲信号一般由单片机或CPU产生，脉冲信号的占空比约为0.3-0.4。电机速度越高，占空比越大。
2.信号分布
我厂生产的感应步进电机主要是两相和四相电机。两相电机有两相四拍和两相八拍两种工作模式，具体分配如下:两相四拍，步距角65438±0.8度；两相八拍，步角0.9度。四相电机也有两种工作模式。四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB，步角为1.8度。四相八拍是AB-B-BC-C-CD-D-AB，(步角0.9度)。
3.功率放大
功率放大是驱动系统中最重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于其动态平均电流而不是静态电流(而样品上的电流就是静态电流)。平均电流越大，电机扭矩越大。为了达到平均电流，驱动系统需要尽可能地克服电机的反电动势。因此，在不同的场合采用不同的驱动方式。到目前为止，一般有以下几种驱动方式:恒压、恒压串联电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。
为了尽可能提高电机的动态性能，信号分配和功率放大构成了步进电机的驱动电源。我厂生产的SH系列两相恒流斩波驱动电源、单片机、电机接线图如下:
描述:
CP连接到CPU脉冲信号(负信号，低电平有效)
光电连接到CPU+5V。
FREE离线，接CPU地，驱动电源不工作。
DIR方向控制，连接到CPU接地线，电机反转。
VCC DC电源正极端子
GND DC电源负极端子
a连接到电机引线的红线上。
连接电机引线的绿线。
连接电机引线的黄线。
连接电机引出线的蓝线步进电机一旦定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机的转速越高，转矩越大，电机的电流就越大，驱动电源的电压就越高。电压对扭矩的影响如下:
4.细分驱动器
在步进电机的步距角不能满足使用要求的情况下，可以用细分驱动器来驱动步进电机。细分驱动器的原理是通过改变相邻(A，B)电流的大小来改变合成磁场的夹角，从而控制步进电机的运行。
四、步进电机的应用
(一)步进电机的选择
步进电机由三个要素组成:步距角(涉及相数)、静态转矩和电流。一旦确定了这三个要素，就确定了步进电机的型号。
1，步距角的选择
电机的步距角取决于负载精度的要求。将负载的最小分辨率(当量)换算成电机轴，每个当量电机应该取多少个角度(包括减速)。电机的步距角应等于或小于该角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度(五相电机)、0.9度/1.8度(两相和四相电机)、1.5度/3度(三相电机)。
2、静态扭矩的选择
很难一下子确定步进电机的动态转矩，我们往往先确定电机的静态转矩。静态转矩的选择是根据电机的工作负载，分为惯性负载和摩擦负载。不存在单一的惯性载荷和单一的摩擦载荷。直接起动时(通常是低速)，两种载荷都要考虑，加速起动时主要考虑惯性载荷，恒速运行时只考虑摩擦载荷。一般情况下，静态扭矩应在摩擦载荷的2-3倍以内。一旦选择了静态扭矩，就可以确定电机的框架和长度(几何尺寸)。
3、电流的选择
相同静转矩的电机，由于电流参数不同，运行特性也不同。根据矩频特性曲线可以判断电机电流(参考驱动电源和驱动电压)。
4、扭矩和功率转换
步进电机一般调速范围广，功率可变。一般只通过扭矩来衡量。扭矩和功率之间的转换如下:
P =ωMω= 2πn/60 P = 2πnM/60
其中，p为功率单位，单位为瓦特，ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟速度，m为扭矩。
单位是牛顿米。
P=2πfM/400(半步操作)
其中f是每秒的脉冲数(简称PPS)
(二)使用注意事项
1.步进电机用于低速场合——每分钟转速不超过1000转/分(0.9度6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度)之间使用。在这里可以通过减速机运转，电机工作效率高，噪音低。
2.步进电机最好不要用全步进状态，因为全步进状态振动大。
3.由于历史原因，只有标称电压为12V的电机使用12V，其他电机的电压值都不是驱动电压伏特，所以驱动电压可以根据驾驶员选择(建议:57BYG使用24V-36V DC，86BYG使用50V DC，110Byg使用80V DC)。
4、转动惯量大的负载应选择机座号大的电机。
5.当电机处于高速或大惯性负载时，一般不以工作转速启动，而是逐渐增加频率，提高速度，这样可以降低噪音，提高停机的定位精度。
6、精度高，应该通过机械减速解决，提高电机的速度，或者使用高细分数的驱动器，也可以使用5相电机，但是整个系统的价格比较贵，厂家比较少，用外行的话说就是淘汰。
7.电机不应在振动区域工作。如果有必要，可以通过改变电压和电流或者增加一些阻尼来解决。
8.电机工作在600PPS(0.9度)以下时，应采用小电流、大电感、低电压驱动。
9、应遵循先选择电机后选择驱动的原则。
专业生产步进电机驱动器xugucheng002@sina.com。
010-51657812-809徐军