步进电机的工作原理如何

一、步进电机工作原理

      步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制

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同步电机与步进电机的区别为：工作原理不同、特点不同、优缺不同。一、工作原理不同1、同步电机：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。

2、步进电机：工作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。

二、特点不同1、同步电机：稳态运行时，转子的转速和电网频率之间有不变的关系n═ns═60f/p，ns称为同步转速。

若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。

2、步进电机：精度为步进角的3-5%，且不累积。

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。

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。三、优缺不同1、同步电机：精度高、但造工复杂、造价高、维修相对困难。

2、步进电机：虽然反应慢，但易于安装、使用，同时价格便宜。

步进电机式怠速控制阀由步进电机、螺旋机构、旁通气阀阀芯、阀座等组成，螺旋机构中的螺母和步进电机的转子制成一体。螺杆与壳体之间为滑动花键联接，使螺杆不能作旋转运动，只能沿轴向作直线运动。当步进电机转动时，螺母带动螺杆作轴向移动，步进电机转子每转动一圈，就使螺杆移动一个螺距，螺杆上固定着阀芯，螺杆向前或向后移动时，带动阀芯关小或开大旁通气阀。电脑通过控制步进电机的转动方向和转角，就可控制螺杆的移动方向和移动距离，从而达到控制旁爱气阀开度，调整怠速进气量的目的。

步进电机是一种可由脉冲电信号来控制转角和转动方向的电机，有多种类型，常见的是永磁型步进电机和可变磁阻型步进电机。

脉冲线性电磁阀式怠速控制阀结构与工作原理是怎样的？

这种怠速控制阀是用一个脉冲电磁阀来控制旁通气道的进气量，脉冲电磁阀与普通电磁阀的结构基本相同，由电磁线圈、固定衔铁、活动衔铁、阀芯、阀座等组成。当电磁线圈通电时，产生磁力，活动衔铁被吸向右边，靠向固定衔铁和阀芯在回位弹簧的作用下左移，关闭旁通气道。发动机怠速运转时，脉冲电磁阀接受来自电脑的固定频率的脉冲电流，不断反复地开启和关闭旁通气道。电脑利用改变每个脉冲周期内电流接通和断开的时间比率（称为占空比，变化范围为0—100%），改变电磁阀、开启和关闭的时间比率，来控制旁通气道的进气量，当怠速过低时，电脑自动提高脉冲电流的占空比，增加进气量；反之，当怠速过高时，降低占空比，减少怠速进气量

1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。 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。

二、感应子式步进电机工作原理（一）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： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：

2、旋转： 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。

3、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力F与（dФ/dθ）成正比

其磁通量Ф=BrS Br为磁密，S为导磁面积 F与LDBr成正比 L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=N·I/RN·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩=力半径力矩与电机有效体积安匝数磁密 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，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。

（二）感应子式步进电机

1、特点： 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。

1什么是步进电机

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您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。

2步进电机分哪几种

步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为75度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为15度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进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18度而五相步进角一般为 072度。这种步进电机的

应用最为广泛。

3什么是保持转矩（HOLDING TORQUE）

保持转矩（HOLDING TORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，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，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2Nm的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2Nm的步进电机。

4什么是DETENT TORQUE

DETENT TORQUE 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。

5步进电机精度为多少？是否累积

一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

6步进电机的外表温度允许达到多少

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度在摄氏80-90度完全正常。

7为什么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。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。

8为什么步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,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，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

9如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声

步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：

A如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；

B采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法；

C换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；

D换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；

E在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。

10细分驱动器的细分数是否能代表精度

步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为18° 的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲045°，电机的精度能否达到或接近045°，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。

11四相混合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别

四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的07倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的14倍，因而电机发热较大。

12如何确定步进电机驱动器的直流供电电源

A电压的确定

混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为12～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。

B电流的确定

供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I 的11～13倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I 的15～20倍。

13混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE一般在什么情况下使用

当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。

14如果用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向

只需将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可。

关于驱动器的细分原理及一些相关说明

在国外，对于步进系统，主要采用二相混合式步进电机及相应的细分驱动器。 但在国内，广大用户对“细分”还不是特别了解，有的只是认为，细分是为了提高精度，其实不然，细分主要是改善电机的运行性能，现说明如下：步进电机的细分控制是由驱动器精确控制步进电机的相电流来实现的，以二相电机为例，假如电机的额定相电流为3A，如果使用常规驱动器（如常用的恒流斩波方式）驱动该电机，电机每运行一步，其绕组内的电流将从0突变为3A或从3A突变到0，相电流的巨大变化，必然会引起电机运行的振动和噪音。如果使用细分驱动器，在10细分的状态下驱动该电机，电机每运行一微步，其绕组内的电流变化只有03A而不是3A，且电流是以正弦曲线规律变化，这样就大大的改善了电机的振动和噪音，因此，在性能上的优点才是细分的真正优点。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和工艺要求，成本亦会较高。注意，国内有一些驱动器采用“平滑”来取代细分，有的亦称为细分，但这不是真正的细分，望广大用户一定要分清两者的本质不同：

15．“平滑”并不精确控制电机的相电流，只是把电流的变化率变缓一些，所以“平滑”并不产生微步，而细分的微步是可以用来精确定位的。

16．电机的相电流被平滑后，会引起电机力矩的下降，而细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加。

17两相和五相的混合式步进电机的应用场合有何不同？

问题解答：

一般来说，两相电机步距角大，高速特性好,但是存在低速振动区。而五相电机步距角小，低速运行平稳。所以，在对电机的 运转精度要求较高 ，且主要在中低速段（一般低于600转/分） 的场合应选用五相电机；反之，若追求电机的高速性能，对精度及平稳性无太多要求的场合应选用成本较低的两相电机。另外，五相电机的力矩通常在2NM以上，对小力矩的应用，一般采用两相电机，而低速平稳性的问题可以通过采用细分驱动器的 方式解决。

和步进电机相比，伺服电机有以下几点优势：

1、实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步

的问题；

2、高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转；

3、抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；

4、低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合；

5、电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内；6、发热和噪音明显降低。

四线三相步进电机的工作原理：

1、结构：

电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）

2、旋转：

如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。

由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。

不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。

3、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力 F与（dФ/dθ）成正比 S 其磁通量Ф=BrS Br为磁密，S为导磁面积 F与LDBr成正比 L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=N·I/R N·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。 力矩=力半径 力矩与电机有效体积安匝数磁密 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，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。

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