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步进电机的研究报告前言：步进电机是一种感应电机，它的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。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。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。关键字：感应电机、执行元件、电脉冲转、步距角、角位移量、准确定位、开环控制。目录：一、 步进电机1、 步进电机的工作原理2、 步进电机的结构3、 步进电机的分类4、 如何控制步进电机5、 步进电机的特点6、 步进电机的工作方式7、 步进电机的选用8、 步进电机的测试9、 步进电机的型号、参数、尺寸标准10、 步进电机应用中的注意点二、 步进驱动器1、 步进驱动器工作原理2、 步进驱动器的作用3、 步进驱动器如何接线4、 如何的确定步进电机线序5、 步进驱动器的工作模式6、 步进驱动器的选择三、 步进电机控制系统1、 步进电机控制系统的组成部分2、 步进电机控制器的种类3、 步进电机控制器的作用四、 步进电机的最新研究成果及发展方向五、 扩展1、变频器对步进电机的节能改造 一、步进电机1、步进电机的工作原理步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。 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、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，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，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。 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，此时齿4与A偏移为1/3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 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,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-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，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）当转子与定子错开一定角度产生力 F与（d/d）成正比 S 其磁通量=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=NI/R NI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。 2、步进电机的结构下图是步进电机结构组成图： 按照励磁方式分类，步进电机可分为反应式、永磁式和感应子式。其中反应式步进电机用的比较普遍，结构也较简单。这里以此类电机为例介绍其结构。反应式步进电机又称为磁阻式步进电机，其典型结构如图1所示。这是一台三相电机，定子铁心由硅钢片叠成，定子上有6个磁极，每个磁极上又各有5个均匀分布的矩形小齿。三相电机共有三套定子控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。转子也是由叠片铁心构成，转子上没有绕组，而是由40个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两齿之间的夹角为9度3、步进电机的分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）。单相式步进电机等。 各种步进电机的特点：永磁式步进电机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；永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。 反应式步进电机 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。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。 混合式步进电机 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。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为广泛。这里对常用的永磁式步进电机和感应式步进电机做详细介绍：1. 磁阻式步进电动机磁阻式步进电动机也叫反应式（BF）步进电动机，其实、转子均由软磁材料冲制、叠压而成。定子上安装多相励磁绕组。转子上无任何绕组，转子圆周外表面均匀分布若干齿和槽。定子上均匀分布若干个大磁极，每个大磁极上有数个小齿和槽。其磁路结构为单段式径向磁路。此外还有多段式径向磁路和多段式轴向磁路结构。磁阻式步进电动机相数一般为三相、四相、五相、六相。多段式径向磁路的磁阻式步进电动机是由单段式演变而来的。各相励磁绕组沿轴向分段布置，每段之间的定子齿在径向互相错开1m齿距（m为相数），与单段式相比其电感小，转动惯量小，动态性能指标高。但电机的风度差，制造工艺复杂。多段式轴向磁路的步进电动机的励磁绕组为环形绕组，绕组制造和安装都很方便。定子冲片为内齿状的环形冲片，定子齿数和转子齿数相等。每段之间定子齿在径向依次错开1m齿距（m为相数）齿距，转子齿不错位。后两种结构和其他型式的磁阻式步进电动机目前都已很少采用。不论哪一咱磁阻式步进电动机，它们的共同特点是： 定转子间气隙小，一般为0.030.07mm 步距角小，最小可做到10。 励磁电流大，最高20A。 断电时没有定位转矩。 电机内阻尼较小，单步运行振荡时间较长。 步距角大，例如15、22.5、45、90等。 相数大多为二相或四相。 启动频率较低。 控制功率小，驱动器电压一般为12V或24V,电流濒于2A。断电时具有一定的保持转矩。2、感应子式步进电机特点： 感应子式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以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。 感应子式某种程度上可以看作是低速同步的电机。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。 分类 ：感应子式电机以相数可分为：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：42BYG(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。 步进电机的静态指标术语 相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，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，电机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。 定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的） 静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。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。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 动态指标及术语： 1、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。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。 2、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。 3、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。 4、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。 5、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。 6、运行矩频特性： 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。如下图所示： 其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。 电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大 4、如何控制步进电机1、步进电机驱动原理：是通过对每相线圈中的电流的顺序切换来使电机机作步进式旋转，切换是通过单片机输出脉冲信号来实现的。所以调节脉冲信号的频率便可以改变步进机的转速，改变各相输入脉冲先后顺序，可以改变电机的旋转方向。2、转速控制：调节脉冲信号的频率便可以改变步进机的转速3、位置控制：改变脉冲信号的个数便可以改变步进机的位置4、方向控制：改变各相脉冲的先后顺序，便可以改变步进机的转向5、减小步距角的途径为了提高精度，要求一个脉冲对应的位移量小，即步进电机的步距角小。磁阻式步进电机的步距角可由下边公式求得 式中Mc为控制绕组相数，C为状态系数，三相单三拍或双三拍时C1，三相六拍时C2。Zr为转子齿数减小步距角有以下四种方法：增加步进电机控制绕组的数量。步距角Q与绕组数Mc成反比，Mc越大则Q越小。三相步进电机单拍运行时的步距角为3度（40转子齿），如果采用四相电机，则步距角减小到1.8度（50转子齿）。但是相数越多电机结果越复杂，制造越困难，靠增加相数减小步距角的成本很高。增加拍数。即增大状态系数C。状态系数也与步距角成反比，增加拍数相当于增加绕组相数。三相步进电机单三拍运行时步距角为3度，采用三相六拍模式后步距角减小到原来的一半。但步进电机所能实现的拍数同绕组相数直接相关，三相步进电机最多能实现的拍数是六拍，四相电机最多八拍。靠增加拍数减小的步距角有限。增加转子齿数Zr。由于Zr与步距角Q成反比，增加转子齿数也能减小步距角。但受加工精度、制造成本限制，转子齿数不能无限增多。采用细分电路。对于一个步进电机，采用细分电路后其步距角减小为原来的1/N（N为细分数）。理论上N可以无限增大，从而步距角Q可以无限减小。细分电路对于任何反应式步进电机都适用，尤其是步距角较大的低端步进电机，能显著减小步距角，提高运动精度，从而在某些场合可以代替高端步进电机。5、步进电机的特点1）、一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 2）、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度在摄氏80-90度完全正常。 3）、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。 4）、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）。步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。主要要求：动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。6、步进电机的工作方式不同相的步进电机的工作方式不同，这里以三相和四相步进电机为例简介其不同的工作方式：三相步进电机为例)步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相六拍、三相双三拍。如果按ABCA方式运行的称为三相单三拍，“三相”是指步进电机具有三相定子绕组，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指三次换接为一个循环。此外，三相步进电机还可以以三相双三拍和三相六拍方式运行。三相双三拍就是按ABBCCAAB方式供电。与单三拍运行时一样，每一循环也是换接3次，共有3种通电状态，不同的是每次换接都同时有两相绕组通电。三相六拍的供电方式是AABBBCCCAA每一循环换接六次，共有六种通电状态，有时只有一相绕组通电，有时有两相绕组通电。四相步进电机按照通电顺序的不同可分为：四相单四拍、四相双四拍、四相单八拍单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示： 7、步进电机的选用步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax 大的电机，负载力矩大。选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。论文天地欢迎您选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。选择步进电机需要进行以下计算：（1）计算齿轮的减速比根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i 计算如下:i=(.S)/(360.) (1-1)式中 -步进电机的步距角（o/脉冲）PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建S -丝杆螺距（mm)-(mm/脉冲）（2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。Jt=J1+（1/i2)(J2+Js）+W/g（S/2)2 （1-2）式中Jt -折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2)J1、J2 -齿轮惯量(Kg.cm.s2)Js -丝杆惯量(Kg.cm.s2) W-工作台重量（N）S -丝杆螺距（cm）（3）计算电机输出的总力矩MM=Ma+Mf+Mt （1-3）Ma= （ Jm+Jt).n/T 1.02 10 2 （1-4）式中Ma -电机启动加速力矩（N.m)Jm、Jt-电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2)n-电机所需达到的转速（r/min）T-电机升速时间（s）Mf=(u.W.s)/(2 i) 10 2 （1-5）Mf-导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m)u-摩擦系数-传递效率Mt=(Pt.s)/(2 i) 10 2 （1-6）Mt-切削力折算至电机力矩（N.m)Pt-最大切削力（N）（4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml ） (1+Jt/Jm) 1/2 （1-7）式中fq-带载起动频率（Hz）fq0-空载起动频率Ml-起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m)若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0 进行估算.（5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。（6）负载力矩和最大静力矩Mmax。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf 与Mt 之和，并留有余量。一般来说，Mf 与Mt 之和应小于（0.2 0.4)Mmax.PDF8、步进电机的测试关于步进电机的好坏测试： 一般先不接驱动，手动转动电机转轴，感觉一下是否转动顺畅。正常不说，手动转动电机轴转一圈，阻力应该是一样的。然后再接驱动测试，控制信号是共阳方式的，PUL+ 接信号电源，PUL- 接控制信号。如果是共阴方式的，则PUL+接控制信号，PUL- 接信号地。如果驱动器的控制信号输入端默认是5V电平的，可以直接把PUL+接5V电源，PUL- 则不断地地进行碰触测试，相当于手动方式产生脉冲; 只要电机与驱动的接线是正确的，碰触时电机是会走一步的 9、步进电机的型号、参数、尺寸标准步进电机的一些基本参数： 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。 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。 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。 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。 一些型号的步进电机及其尺寸： 10、步进电机应用中的注意点、步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V 外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG 采用直流50V,110BYG 采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5 相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。、应遵循先选电机后选驱动的原则。二、步进驱动器1、步进驱动器的工作原理以AT89C2051的步进电机驱动器为例简介其工作原理： 图3 步进电机驱动器系统电路原理图 AT89C2051将控制脉冲从P1口的P1.4P1.7输出，经74LS14反相后进入9014，经9014放大后控制光电开关，光电隔离后，由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。图中L1为步进电机的一相绕组。AT89C2051选用频率22MHz的晶振，选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小AT89C2051对上位机脉冲信号周期的影响。图3中的RL1RL4为绕组内阻，50电阻是一外接电阻，起限流作用，也是一个改善回路时间常数的元件。D1D4为续流二极管，使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管(D1D4)而衰减掉，从而保护了功率管TIP122不受损坏。在50外接电阻上并联一个200F电容，可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿，提高了步进电机的高频性能。与续流二极管串联的200电阻可减小回路的放电时间常数，使绕组中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间变小，也起到提高高频工作性能的作用。2、步进驱动器的作用、脉冲信号的产生。脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4 左右，电机转速越高，占空比则越大。、信号分配我厂生产的感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为,步距角为1.8度；二相八拍为,步距角为0.9度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度）。、功率放大功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。、细分驱动器在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采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，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。3、步进驱动器如何接线以SL86S278A 为例，一、并联接法：二、串联接法：4、如何的确定步进电机线序5、步进驱动器的工作模式有三种基本的步进电机驱动模式：整步、半步、细分。其主要区别在于电机线圈电流的控制精度（即激磁方式）。 整步驱动在整步运行中，同一种步进电机既可配整/半步驱动器也可配细分驱动器，但运行效果不同。步进驱动器按脉冲/方向指令对两相步进电机的两个线圈循环激磁（即将线圈充电设定电流），这种驱动方式的每个脉冲将使电机移动一个基本步距角，即1.80度 (标准两相电机的一圈共有200个步距角)。 半步驱动在单相激磁时，电机转轴停至整步位置上，驱动器收到下一脉冲后，如给另一相激磁且保持原来相继处在激磁状态，则电机转轴将移动半个步距角，停在相邻两个整步位置的中间。如此循环地对两相线圈进行单相然后双相激磁步进电机将以每个脉冲0.90度的半步方式转动。所有瑞亚宝公司的整/半步驱动器都可以执行整步和半步驱动，由驱动器拨码开关的拨位进行选择。和整步方式相比，半步方式具有精度高一倍和低速运行时振动较小的优点，所以实际使用整/半步驱动器时一般选用半步模式。 细分驱动细分驱动模式具有低速振动极小和定位精度高两大优点。对于有时需要低速运行（即电机转轴有时工作在60rpm以下）或定位精度要求小于0.90度的步进应用中，细分驱动器获得广泛应用。其基本原理是对电机的两个线圈分别按正弦和余弦形的台阶进行精密电流控制，从而使得一个步距角的距离分成若干个细分步完成。如上图所示。例如十六细分的驱动方式可使每圈200标准步的步进电机达到每圈200*16=3200步的运行精度（即0.1125）。6、步进驱动器的选择选型原则 驱动器的电流：电流是判断驱动器能力的大小，是选择驱动器的重要指标之一，通常驱动器的最大电流要略大于电机标称电流，通常驱动器有0.8A、2A、 3A、 4A、 5A、 5.8A、6A、 6.8A、8A、10A、13A.等规格。 驱动器供电电压：供电电压是判断驱动器升速能力的标志，常规电压供给有：12VDC、24VDC、40VDC、80VDC、110VAC等。 驱动器的细分：细分是控制精度的标志，通过增大细分能改善精度。细分能增加电机平稳性，通常步进电机都有低频振动的特点，通过加大细分可以改善，使电机运行非常平稳步进驱动器是步进系统中的核心组件之一。它按照控制器发来的脉冲/方向指令（弱电信号）对电机线圈电流（强电）进行控制，从而控制电机转轴的位置和速度.步进电机及驱动器的正确选择方法：首先确定步进电机拖动负载所需要的扭矩。最简单的方法是在负载轴上加一杠杆，用弹簧秤拉动杠杆，拉力乘以力臂长度既是负载力矩。或者根据负载特性从理论上计算出来。由于步进电机是控制类电机，所以目前常用步进电机的最大力矩不超过45Nm，力矩越大，成本越高，如果您所选择的电机力矩较大或超过此范围，可以考虑加配减速装置。确定步进电机的最高运行转速。转速指标在步进电机的选取时至关重要，步进电机的特性是随着电机转速的升高，扭矩下降，其下降的快慢和很多参数有关，如:驱动器的驱动电压、电机的相电流、电机的相电感、电机大小等等，一般的规律是：驱动电压越高，力矩下降越慢电机的相电流越大，力矩下降越慢。在设计方案时，应使电机的转速控制在600转/分或800转/分以内，当然这样说很不规范，可以参考矩-频特性。根据负载最大力矩和最高转速这两个重要指标，再参考矩-频特性，就可以选择出适合自己的步进电机。如果您认为自己选出的电机太大，可以考虑加配减速装置，这样可以节约成本，也可以使您的设计更灵活。要选择好合适的减速比，要综合考虑力矩和速度的关系，选择出最佳方案。最后还要考虑留有一定的(如50%)力矩余量和转速余量。可以先选择混合式步进电机，如果由于价格因素，可以选取反应式步进电机。尽量选取细分驱动器，且使驱动器工作在细分状态。选取时且勿走入只看电机力矩这一个指标的误区，也就是说并非电机的扭矩越大越 好，要和速度指标一起考虑。超小型驱动器和微型驱动器是靠外壳作为散热器的，应固定在较大、较厚的金属板上或外加风机散热，如果没有散热条件，而驱动器又工作在转速较低的场合(这时驱动器发热较大)，可以选用带风机的90型驱动器代替。步进电机驱动器选型必需注意的问题 选择坚持转矩（HOLDING TORQUE）坚持转矩也叫静力矩，是指步进电机通电但没有转变时，定子锁住转子的力矩。因为步进电机低速运转时的力矩接近坚持转矩，而步进电机的力矩跟着速度的增大而疾速衰减，输出功率也随速度的增大而转变，所以说坚持转矩是权衡步进电机负载才能最主要的参数之一。比方，普通不加阐明地讲到1N.m的步进电机，可以了解为坚持转矩是1N.m。 选择相数两相步进电机本钱低，步距角起码1.8 度，低速时的震动较大，高速时力矩下降快，合用于高速且对精度和平稳性要求不高的场所；三相步进电机步距角起码1.5度，振动比两相步进电机小，低速功能好于两相步进电机，最高速度比两相步进电机高百分之30至50，合用于高速且对精度和平稳性要求较高的场所；5相步进电机步距角更小，低速功能好于3相步进电机，但本钱偏高，合用于中低速段且对精度和平稳性要求较高的场所。 选择步进电机应遵照先选电机后选驱动器准则，先明白负载特征，再经过比拟分歧型号步进电机的静力矩和矩频曲线，找到与负载特征最匹配的步进电机；精度要求高时，应采用机械减速安装，以使电机任务在效率最高、噪音最低的形态；防止使电机任务在振动区，如若必需则经过改动电压、电流或添加阻尼的办法处理；电源电压方面，建议57电机采用直流24V-36V、86电机采用直流46V、110电机采用高于直流80V；大转变惯量负载应选择机座号较大的电机；大惯量负载、任务转速较高时，电机而应采用逐步升频提速，以避免电机掉步、削减噪音、进步停转时的定位精度；鉴于步进电机力矩普通在40Nm以下，超出此力矩局限，且运转速度大于1000RPM时，即应思索选择伺服电机，普通交流伺服电机可正常运转于3000RPM，直流伺服电机可可正常运转于10000RPM。 选择驱动器和细分数最好不选择整步形态，由于整步形态时振动较大；尽量选择小电流、大电感、低电压的驱动器；配用大于任务电流的驱动器、在需求低振动或高精度时配用细分型驱动器、关于大转矩电机配用高电压型驱动器，以取得优越的高速功能；在电机实践运用转速凡间较高且对精度和平稳性要求不高的场所，不用选择高细分数驱动器，以便节省本钱；在电机实践运用转速凡间很低的前提下，应选用较大细分数，以确保运转光滑，削减振动和噪音；总之，在选择细分数时，应综合思索电机的实践运转速度、负载力矩局限、减速器设置状况、精度要求、振动和噪音要求等。 三、步进电机控制系统1、步进电机控制系统的组成部分2、步进电机控制器的种类 PLC控制器 单片机 定位控制模块3、 步进电机控制器的作用产生脉冲和方向控制，提供控制信号。四、步进电机的最新研究成果及发展方向步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小