步进电机与直流电机的区别Word文件下载.docx

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按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。

最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。

该种电机的基本步距角为1.8°

/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°

，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007°

/微步）。

由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。

同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。

3选择方法

步进电机和驱动器的选择方法：

判断需多大力矩：

静扭矩是选择步

步进电机（图3）

进电机的主要参数之一。

负载大时，需采用大力矩电机。

力矩指标大时，电机外形也大。

判断电机运转速度：

转速要求高时，应选相电流较大、电感较小的电机，以增加功率输入。

且在选择驱动器时采用较高供电电压。

选择电机的安装规格：

如57、86、110等，主要与力矩要求有关。

确定定位精度和振动方面的要求情况：

判断是否需细分，需多少细分。

根据电机的电流、细分和供电电压选择驱动器。

4基本原理

工作原理

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。

发热原理

通常见到的各类电机，内部都是有铁芯和绕组线圈的。

绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；

铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。

铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。

步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。

5主要构造

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，

步进电机（图4）

人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。

随着嵌入式系统（例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等）的日益流行，步进电机的使用也开始暴增。

不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业中，只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置，步进电机就一定能派上用场。

步进电机有许多种形状和尺寸，但不论形状和尺寸如何，它们都可以归为两类：

可变磁阻步进电机和永磁步进电机。

步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--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，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。

6指标术语

静态指标术语

1、相数：

产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。

常用m表示。

2、拍数：

完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或

步进电机（图5）

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。

3、步距角：

对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。

θ=360度/（转子齿数*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θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

4、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）。

5、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，

步进电机（图6）

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。

步进电机（图7）

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，即电机的频率特性越硬。

要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，采用小电感大电流的电机。

7、电机的共振点：

步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为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，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。

8、电机正反转控制：

当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或（）时为正转，通电时序为DA-CD-BC-AB或（）时为反转。

7特点特性

主要特点

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，

步进电机（图8）

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）。

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。

伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

主要特性

1、步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，

步进电机（图9）

没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。

转动的速度和脉冲的频率成正比。

2、三相步进电机的步进角度为7.5度，一圈360度，需要48个脉冲完成。

3、步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。

4、改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。

因此，打印机、绘图仪、机器人等设备都以步进电机为动力核心。

8测速方法

步进电机是将脉冲信号转换为角

步进电机（图10）

位移或线位移。

[1]

一是过载性好。

其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时就会出现速度下降的情况，步进电机使用时对速度和位置都有严格要求。

二是控制方便。

步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显。

三是整机结构简单。

传统的机械速度和位置控制结构比较复杂，调整困难，使用步进电机后，使得整机的结构变得简单和紧凑。

测速电机是将转速转换成电压，并传递到输入端作为反馈信号。

测速电机为一种辅助型电机，在普通直流电机的尾端安装测速电机，通过测速电机所产生的电压反馈给直流电源，来达到控制直流电机转速的目的。

9功能模块设计

本模块可分为如下3个部分：

[2]

·

单片机系统：

控制步进电动机；

外围电路：

PIC单片机和步进电动机的接口电路；

PIC程序：

编写单片机控制步进电功机的接口程序，实现三角波信号的输出功能。

（1）步进电动机与单片机的接口。

单片机是性能极佳的控制处理器，在控制步进电机工作时，接口部件必须要有下列功能。

①电压隔离功能。

单片机工作在5V，而步进电机是工作在几十V，甚至更高。

一旦步进电机的电压串到单片机中，就会损坏单片机；

步进电机的信号会干扰单片机，也可能导致系统工作失误，因此接口器件必须有隔离功能。

②信息传递功能。

接口部件应能够把单片机的控制信息传递给步进电机回路，产生工作所需的控制信息，对应于不同的工作方式，接口部件应能产生相应的工作控制波形。

③产生所需的不同频率。

为了使步进电机以不同的速度工作，以适应不同的目的，接口部件应能产生不同的工作频率。

（2）电压隔离接口。

电压隔离接口专用于隔离低压部分的单片机和高压部分的步进电机驱动电路，以保证它们的正常工作。

电压隔离接口可以用脉冲变压器或光电隔离器，现在基本上是采用光电隔离器。

单片机输出信号可以通过TTL门电路或者直接送到晶体管的基极，再由晶体管驱动光电耦合器件的发光二极管。

发光二极管的光照到光电耦合器件内部的光敏管上，转换成电信号，再去驱动步进电机的功率放大电路，电流放大接口是步进电机功放电路的前置放大电路。

它的作用是把光电隔离器的输出信号进行电流放大，以便向功放电路提供足够大的驱动电流。

（3）工作方式接口和频率发生器。

用单片机控制步进电动机，需要在输入输出接口上用3条I/0线对步进电动机进行控制，这时，单片机用I/O口的RA0、RAI、RA2控制步进电动机的三相。

10优势及缺陷

优点

1、电机旋转的角度正

步进电机（图11）

比于脉冲数；

2、电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；

3、由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；

4、优秀的起停和反转响应；

5、由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；

6、电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本；

7、仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转；

8、由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。

缺陷

1、如果控制不当容易产生共振；

2、难以运转到较高的转速；

3、难以获得较大的转矩；

4、在体积重量方面没有优势，能源利用率低；

5、超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。

11驱动方法

步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。

驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口。

12驱动要求

1、能够提供较快的电流上升和下降速度，

步进电机（图12）

使电流波形尽量接近矩形。

具有供截止期间释放电流流通的回路，以降低绕组两端的反电动势，加快电流衰减。

2、具有较高韵功率及效率。

步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：

控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一个步距角。

也就是说步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。

所以控制步进脉冲信号的频率，就可以对电机精确调速；

控制步进脉冲的个数，就可以对电机精确定位。

步进电机驱动器有很多，应以实际的功率要求合理的选择驱动器。

13主要应用

步进电机的选择

步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。

步进电机（图13）

一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

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）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。

电机的步距角应等于或小于此角度。

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（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。

2、静力矩的选择

步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。

静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。

单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。

直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。

一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。

3、电流的选择

静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流。

应用中的注意点

1、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；

2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大；

3、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；

4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机；

5、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；

6、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；

7、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；

8、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；

9、应遵循先选电机后选驱动的原则。

直流电机

直流电机（directcurrentmachine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。

它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。

当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；

作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

基本结构

由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。

直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。

运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

2定子

主磁极

主磁极的作用是产生气隙磁场。

主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。

直流电机（图1）

铁心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。

励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。

整个主磁极用螺钉固定在机座上，

换向极

换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。

换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。

机座

电机定子的外壳称为机座。

机座的作用有两个：

一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；

二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。

为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。

电刷装置

电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。

电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。

电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。

刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。

3转子

电枢铁心

电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。

直流电机（图2）

一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。

叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。

铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。

电枢绕组

电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。

它是由许多线圈（以下称元件）按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。

为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定。

线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。

换向器

在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，

直流电机（图3）

使电磁转矩的方向恒定不变；

在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。

换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。

转轴

转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。

4励磁方式

他励直流电机

励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，永磁直流电机也可看作他励或自激直流电机，一般直接称作励磁方式为永磁。

并励直流电机

并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；

作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。

串励直流电机

串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源。

这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。

复励直流电机

复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组。

若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。

若两个磁通势方向相反，则称为差复励。

5特性

不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。

一般情况直流电动机的主要励磁方式是他励和串励，其它励磁方式，在电子工业的不断完善下将逐渐被淘汰，直流发电机的主要励磁方式有他励、并励和复励方式。

6型号命名

国产电机型号一般采用大写的英文的汉语拼音字母的阿拉伯数字表示，

直流电机（图4）

其格式为：

第一部分用大写的拼音字母表示产品代号，第二部分用阿拉伯数字表示设计序号，第三部分用阿拉伯数字表示机座代号，第四部分用阿拉伯数字表示电枢铁心长度代号。

7工作原理

直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。

直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，

直流电机（图5）

靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。

感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向）。

导体受力的方向用左手定则确定。

这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。

如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。

8控制原理

直流无刷电机的控制原理，要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子所在位置，然后依照定子绕线决定开启（或关闭）换流器（inverter）中功率晶体管的顺序，inverter中之AH、BH、CH（这些称为上臂功率晶体管）及AL、BL、CL（这些称为下臂功率晶体管），使电流依序流经电机线圈产生顺向（或逆向）旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。

当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动