西门子代理商-广东省揭阳市一级代理-PLC伺服电机驱动变频器代理

1

步进电机简介

步进电机，别名脉冲马达，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，安装在发动机的调速器附近。

步进电机由转子、定子和线圈组成。从其结构形式上可分为反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机、单相步进电机、平面步进电机等多种类型。其具有可以进行低速旋转、可以使用开路（无反馈）实现位置控制等特点，作为重要的执行元件应用于数控机床、智能仪器和自动控制中。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。

一般电动机都是连续旋转，而步进电动却是一步一步转动的，故叫步进电动机。每输入一个脉冲冲信号,该电动机就转过一定的角度（有的步进电动机可以直接输出线位移，称为直线电动机）。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。步进电动机的转子为多极分布,定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。 

三角接法与星形接法的区别                    

                

三角接法与星形接法从电机外部看是没有任何区别的，但是在设计过程中存在区别，具体如下：

绕组：

星形接法（图一）指将电机绕组三相末端接在一起，三相首端为电源端，主要应用在高压大型或中型容量的电动机种，定子绕组只引出三根线。

三角形接法（图二）指将三相绕组首尾互相连接，三个端点为电源端，主要应用在低压中型或小小容量的电动机种，定子绕组引出六根线。

功率：星形接法起输出功率小，三角接法起输电机功率大，因此一般4KW以下的大部分电机采用星形接法，大于4KW的采用三角形接法。

电压：对于一个输入线电压为380V的电机而言，如果设计成星形，那么按照220V计算单相电路，如果设计成三角形，那么按照380V计算单相电路

电流：星形接法启动电流较小，三角形接法启动电流是额定电流的4-7倍大，即功率相同的情况下，三角形接法的电机绕组比星形电机的电流小。

启动转矩：在电机功率相同的情况下，星型接法电机起动转矩仅是三角形接法的一半。

外观：三角形的线用得长些细些，星形的线短些粗些，但是在理论上用的材料是一样多。

特性：星形接法电机内部不会产生环流，而因为三相绕组不可能juedui平衡，三相电压总有微小差异，三角接法内部会形成环流造成发热和降低效率。

在非超载且不超频的情况下，电机的旋转位置只取决于脉冲个数，转速只取决脉冲信号的频率
步进电机拥有youxiu的开环能力

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。当定子线圈通电产生磁场，转子磁铁自动对齐磁场，跟随旋转。

永磁式转子步进电机线圈通电，中间转子自动对齐线圈产生的磁场（图片来自Microchip）线圈通电，中间转子自动对齐线圈产生的磁场（图片来自Faulhaber）这种结构，因为是用磁铁做转子，磁铁磁通量大，进而扭矩大，所以保证了较好的输出扭矩和制动扭矩。所谓制动扭矩（Detent Torque），就是说，无论线圈是否通电，电机都会阻止旋转，这是因为永磁铁和定子之间的相互作用，会产生一定的扭矩，外力必须克服这个扭矩，电机才能动起来。在电机生产厂家的产品目录中，有的也写为齿槽转矩（Cogging Torque），或者残余扭矩（Residual Torque）。当然，有优势也就有劣势。这种结构的不足之处在于，它的转速和步距（分辨率）不高，比如一步转动7.5°-15°，当然好处是体积可以做得很小，比如Φ20mm以下。

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。

可变磁阻式步进电机结构

可变磁阻式步进电机结构这种电机，转子是用软磁材料做成，转子多齿，不同的齿形分布，可以产生不同的分辨率，线圈通电吸引转子，引发转动。这种结构的好处是，可以实现高速及高分辨率，而且没有制动扭矩，但是扭矩比永磁式小，不适用于小电机。因为没有永磁铁，所以可以在有外强磁场的环境中，使用这种电机。

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。永磁和可变磁阻混合型步进电机（来自Microchips）

混合型步进电机的运动原理转子带两个齿冠，齿冠在轴向被磁化，一个齿冠是北极，一个是南极。这种配置，使得混合型步进电机既有永磁式的优点，又有可变磁阻式的优点，特别是拥有高分辨率，高速，高扭矩。混合型步进电机，通常每圈有200步，也就是步距为360/200=1.8°，这种类型的电机受限于制造，目前Zui小只能做到Φ19mm。当然，好特性需要更复杂的结构和控制，所以价格也更贵。

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。Zui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。2相定子绕组（左），3相定子绕组（右）
左图是2相单级对数定子，右图是2相偶级对数定子，字母N和S表示当A+和A-通电时，定子产生的磁场。
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Zui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，如果是另外一相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%。

准确位置控制

步进电机以一个固定的步距角转动，就像时钟内的秒针。这个角度称为基本步距角。基本步距角为1.8°两相步进电机

简单的脉冲信号控制

需高精度定位的系统如下所示。控制器发出的脉冲信号可以准确地控制步进电机的转动角度和速度。

什么是脉冲信号？

       脉冲信号是一个电压反复在ON 和OFF 之间改变的电信号。
  每个ON/OFF周期被记为一个脉冲。单个脉冲信号指令使电机出力轴转动一步。
  对应电压ON和OFF情况下的信号电平被分别称为“H”和“L”。转动距离与脉冲数成比例关系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：

转速与脉冲频率成比例关系

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）：