知識 | 步進(jìn)電機(jī)拆解及其基本介紹

來源 | 網(wǎng)絡(luò)

據(jù)說步進(jìn)電機(jī)不能拆，但是為了滿足好奇心，該出手時就出手。

將要拆開的28BYJ-48，這是學(xué)單片機(jī)控制技術(shù)中最常見的一種。

打開上蓋后的減速齒輪

減速齒輪特寫

轉(zhuǎn)子

定子繞組

繞組特寫

只剩下后蓋了

繞組上的接線：

這一看，步進(jìn)電機(jī)好像沒什么。實際上，里面的學(xué)問大著呢。

步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進(jìn)角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來 控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計算機(jī)等許多專業(yè)知識。

步進(jìn)電機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子，它們均由磁性材料組成。以三相步進(jìn)電機(jī)為例，其定子和轉(zhuǎn)子上分別有六個、四個磁極。

定子上的六個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極組成一相。

注意：這里的相和三相交流電中的“相”概念不一樣，步進(jìn)電機(jī)通的是直流脈沖。

按照繞組的通電順序，三相步進(jìn)電機(jī)的工作方式可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。

步進(jìn)電機(jī)的主要特點：

1．一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。?

2．步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。

步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至 于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以 上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

3．步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。

4．步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。

步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠 正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖 頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。

5 步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)， 驅(qū)動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候， 步進(jìn)電機(jī)靜止， 如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號，就會以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。

6 三相步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度為7.5 度，一圈360度，需要48個脈沖完成。

7 步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。?

8 改變脈沖的順序，可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。因此，目前打印機(jī)，繪圖儀，機(jī)器人，等等設(shè)備都以步進(jìn)電機(jī)為動力核心。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的特點

（1）構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器系統(tǒng)的專用集成電路：

A、脈沖分配器集成電路：如三洋公司的PMM8713、PMM8723、PMM8714等。

B、包含脈沖分配器和電流斬波的控制器集成電路：如SGS公司的L297、L6506等。

C、只含功率驅(qū)動（或包含電流控制、保護(hù)電路）的驅(qū)動器集成電路：如日本新電元工業(yè)公司的MTD1110（四相斬波驅(qū)動）和MTD2001（兩相、H橋、斬波驅(qū)動）。

D、將脈沖分配器、功率驅(qū)動、電流控制和保護(hù)電路都包括在內(nèi)的驅(qū)動控制器集成電路，如東芝公司的TB6560AHQ、MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。

（2）“細(xì)分驅(qū)動”概述：將“電機(jī)固有步距角”細(xì)分成若干小步的驅(qū)動方法，稱為細(xì)分驅(qū)動，細(xì)分是通過驅(qū)動器精確控制步進(jìn)電機(jī)的相電流實現(xiàn)的，與電機(jī)本 身無關(guān)。其原理是，讓定子通電相電流并不一次升到位，而斷電相電流并不一次降為0（繞組電流波形不再是近似方波，而是N級近似階梯波），則定子繞組電流所 產(chǎn)生的磁場合力，會使轉(zhuǎn)子有N個新的平衡位置（形成N個步距角）。

步進(jìn)電機(jī)分類

步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM）、反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大，在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點，分為兩相和五相，兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度，這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。

步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)缺點

優(yōu)點　

1． 電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；

2． 電機(jī)停轉(zhuǎn)的時候具有最大的轉(zhuǎn)矩（當(dāng)繞組激磁時）；

3． 由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重復(fù)性；

4． 優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；

5． 由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機(jī)的壽命僅僅取決于軸承的壽命；

6． 電機(jī)的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制，這使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以比較簡單而且控制成本；

7． 僅僅將負(fù)載直接連接到電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。

8． 由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。

缺點

1． 如果控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振；

2． 難以運轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速。

3． 難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩

4． 在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。

5． 超過負(fù)載時會破壞同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。