步進電機BYJ個人總結(jié)

1、步進電機28BYJ-48介紹和驅(qū)動電路及程序28BYJ-5V步進電機簡介步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。您可以通過控制脈沖個來控制角位移量，從而達到準(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轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。當(dāng)對步進電機施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信號對應(yīng)步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。四相步進電機可以在不

2、同的通電方式下運行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A。），雙（雙相繞組通電）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。）。如下圖所示，定子有8個大齒，每個大齒上面有5個小齒，所以定子一共有40個小齒。但是28BYJ步進電機的定子結(jié)構(gòu)不是下圖中所示。圖1 步進電機定子結(jié)構(gòu)圖1 個人理解一下為作者自己通過查找資料和實驗驗證得到的結(jié)論，難免有所紕漏，請見諒與指正。 by Arron Chen, in HUST, 2014/3/61.1 28BYJ-5V步進電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖1.1 將要拆開的28BYJ-5V打開上蓋后的減速齒輪

3、：圖1.2 減速齒輪和前蓋圖1.3 定子繞組圖1.4轉(zhuǎn)子(左)和后蓋(右)1.2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理將電機拆開可見，定子分兩層，每層繞有繞向相反的兩組銅線，上面一層兩根線分別對應(yīng)四相中的A、C(因C相線圈與A同層反向，故又稱C為)；下面一層分別對應(yīng)四相中的B、D(因D相線圈與B同層反向，故又稱D為)。每層線圈被上下兩個鐵片夾在中間，每個鐵片上有均勻分布的8個垂直于鐵片平面的齒，并插入線圈軸中，并且兩個鐵片對應(yīng)的8個齒相互交錯，將圓周均分為16等份，并且上下兩層的16個齒也是相互交錯的，于是兩層所有共32個齒將圓周均分為32等份，從軸向看就是有32個均勻分布的齒，并且任意相鄰的兩個齒是分屬于上下不同層

4、次的線圈軸中。定子繞組上的接線示意圖如下圖1.5：圖1.5 定子繞組上的接線示意圖當(dāng)其中一相(比如A相)對應(yīng)的線圈通電時，該層所在的兩個鐵片分別變?yōu)榇艌龅腟極和N極，致使與之相連的8個齒分別為S極和N極，產(chǎn)生一個扭矩(其實就是一個吸引力)，將轉(zhuǎn)子中最近的一個異極性齒吸引過來，致使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。穩(wěn)定時必有一對定、轉(zhuǎn)子齒是正對的互相吸引的N-S極。下圖1.7中齒1和5為上層線圈上面鐵片的齒，齒2和6為下層線圈上面鐵片的齒，齒3和7為上層線圈下面鐵片的齒，齒4和8為下層鐵片下面的齒，都只畫出了8個中正對的兩個。由下圖1.6和圖1.7大致可以知道在給定脈沖后定子齒的極性變化規(guī)律。圖1.6 脈沖序列圖圖1.

5、7 定子齒極性變化圖但需要注意的是，給任意一相送脈沖時，轉(zhuǎn)子永遠穩(wěn)定在一個地方，不會動；給任意兩相來回送脈沖都會使得轉(zhuǎn)子來回轉(zhuǎn)動，也就是定子的兩個齒將轉(zhuǎn)子來回吸引拉動，而不可能使轉(zhuǎn)子往一個方向轉(zhuǎn)動，也就使得電機不能正常工作比如一個脈沖給A相時，轉(zhuǎn)子順時鐘轉(zhuǎn)動一個齒輪，第二個脈沖給B、C、D中任意一相，轉(zhuǎn)子就會逆時鐘轉(zhuǎn)動一個齒輪，即回到電機接收到第一個脈沖前的位置；對于只給其中任意三相供電，情況與兩相供電類似，一個方向連轉(zhuǎn)兩次后反轉(zhuǎn)一次，每給一組脈沖都是如此，電機不能正常工作。只有當(dāng)給ABCD依次給四個脈沖時才能使轉(zhuǎn)子一直同向轉(zhuǎn)動。1.3 減速齒輪該信號步進電機內(nèi)部有5個齒輪，經(jīng)過了四級減速，對

6、應(yīng)有4個減速齒輪，分別為轉(zhuǎn)子、減速齒輪1、減速齒輪2、減速齒輪3，最后一個齒輪即外軸。四個減速齒輪都有大端和小端，大端齒數(shù)比小端齒數(shù)多，大、小端齒輪數(shù)之比分別為31:9(大端31齒這個參數(shù)還不肯定)、32:11、22:9和26:10，外軸齒輪有31個齒。若將定子也看做齒輪，則它是一個由4個大齒共32個小齒組成的齒輪。此外，由上面分析的工作原理可知，為了電機能正常轉(zhuǎn)動，定子小齒數(shù)和轉(zhuǎn)子小齒數(shù)不能相同，因為一旦轉(zhuǎn)子處于穩(wěn)定狀態(tài)，那么不管以后給哪一相供電，所有齒輪受力都處于平衡狀態(tài)，轉(zhuǎn)子仍然會保持原來的穩(wěn)定狀態(tài)而不會轉(zhuǎn)動。1.4 步距角通過實驗證明，該配套電機的步距角度為5.625/32，意思是，按

7、照理論，每給一個脈沖，經(jīng)過減速齒輪后使得外軸(也就是我們在外面看到的那個轉(zhuǎn)軸)轉(zhuǎn)動5.625/32度，然而，實際上當(dāng)轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動齒數(shù)小于3時，減速齒輪1和2都能看到明顯轉(zhuǎn)動，但減速齒輪3基本看不到轉(zhuǎn)動，尤其是其小端，而外軸則是一點都沒有轉(zhuǎn)動；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動4個齒時可以看到外軸有很微小的轉(zhuǎn)動，也就是說該步進電機的最小轉(zhuǎn)動角度實際為5.625/8度，當(dāng)電機接收到32個脈沖時會轉(zhuǎn)動5.625度。1.5 脈沖頻率限制問題對于脈沖頻率不能太高的問題，也就是電機轉(zhuǎn)動速度有上限問題，個人認為是因為給過脈沖后定子齒輪的磁性需要一定時間消退，在當(dāng)前定子(假設(shè)為A)的磁性消退前就給下一個定子齒輪(假設(shè)為B)送脈沖使其

8、具有與當(dāng)前定子齒輪(A)相同極性的磁性，由于當(dāng)前定子(A)和轉(zhuǎn)子的距離最近，最穩(wěn)定，下一個定子(B)與離他最近的轉(zhuǎn)子齒輪不是正對的，不在一條線上，故他們之間之間的距離絕對比當(dāng)前定(A)、轉(zhuǎn)子齒輪的距離大，吸引力小，于是無法牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子任然保持原來的穩(wěn)定狀態(tài)，這樣一來就相當(dāng)于跳過了一相(B)，再對C、D相發(fā)送脈沖時就更不能使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動了,于是電機就永遠穩(wěn)定在A相定子齒輪處。1.6 三種控制方式對于該電機有三種控制方式：單相四拍(A-B-C-D)、雙相四拍(AB-BC-CD-DA)和雙相八拍(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA)。單相四拍(A-B-C-D)和雙相四拍(AB-BC-CD-DA

9、)是完全等價的，一個循環(huán)使外軸5.625/8度。AB接收到脈沖時，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在A處，縱然B此時也有磁性，但按照上段的解釋，此時B的磁力不足以與A抗衡，不能牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；BC接收到脈沖時，A沒有接受到脈沖，沒有磁力，故此時B牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并穩(wěn)定在B處，C此時無法牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，依此類推。雙相八拍(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA)，一個循環(huán)也是使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動5.625/8度，但耗費的時間是四拍的兩倍，也就是速度是四拍的一半。A接收到脈沖時，牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒，穩(wěn)定在A；AB時，轉(zhuǎn)子仍然穩(wěn)定在A；B時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動5.625/32度，穩(wěn)定在B；后面依此類推。但要注意的是，不是所有步進電機都同時支持這三種工

10、作方式的。1.7 單片機驅(qū)動電路及C語言程序1.7.1 單片機驅(qū)動電路紅線接電源5V，橙色電線接P1.3口，黃色電線接P1.2口，粉色電線接P1.1口，藍色接P1.0口。由于單片機接口信號不夠大需要通過ULN2003放大再連接到相應(yīng)的電機接口，如下：圖1.8 步進電機驅(qū)動電路圖舉個例子，對于雙相8拍正向旋轉(zhuǎn)工作方式，驅(qū)動脈沖與對應(yīng)的P1端口碼值如下 橙  黃 粉藍十六制（P1口）  1 0 0 0 0x08 1 1 0 0 0x0c 0

11、 1 0 0 0x04 0 1 1 0 0x06 0 0 1 0 0x02 0 0 1 1 0x03 0 0 0 1 0x01 1 0 0 1 0x09于是得到雙相8拍正向旋轉(zhuǎn)碼為：0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01,0x09對于反向旋轉(zhuǎn)只需將正轉(zhuǎn)碼前后順序顛倒即可。其余兩種

12、工作方式類推。1.7.2 C語言程序?qū)?yīng)1.2.1節(jié)中電路的C語言程序如下：#include <reg52.h>bit Flag;/定義正反轉(zhuǎn)標(biāo)志位unsigned char code FS_Rotation4=0x01,0x02,0x04,0x08; /單相四拍正轉(zhuǎn)表格unsigned char code FD4_Rotation4=0x03,0x06,0x0C,0x09; /雙相四拍正轉(zhuǎn)表格unsigned char code FD8_Rotation8=0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01,0x09; /雙相8拍正轉(zhuǎn)表格unsigned cha

13、r code BD4_Rotation4=0x09,0x0C,0x06,0x03; /雙相四拍反轉(zhuǎn)表格/*/* 延時函數(shù) */*/void Delay(unsigned int i)/延時 while(-i);/*/* 主函數(shù) */*/main() unsigned int i,j=0,n=0; EX1=1; /外部中斷0開 IT1=1; /邊沿觸發(fā) EA=1; /全局中斷開while(1) while(!Flag) P0=0x71;/顯示 F 標(biāo)示正轉(zhuǎn) for(i=0;i<4;i+) /4相 P1=FD4_Rotationi%4; /輸出對應(yīng)的相 可以自行換成反轉(zhuǎn)表格 Delay(50

14、0); /改變這個參數(shù)可以調(diào)整電機轉(zhuǎn)速 ,數(shù)字越小，轉(zhuǎn)速越大 while(!Flag); while(Flag) P0=0x7C;/顯示 b 標(biāo)示反轉(zhuǎn) for(i=0;i<4;i+) /4相 P1=BD4_Rotationi; /輸出對應(yīng)的相 Delay(500); /改變這個參數(shù)可以調(diào)整電機轉(zhuǎn)速 ,數(shù)字越小，轉(zhuǎn)速越大 /*/* 中斷入口函數(shù) */*/void ISR_Key(void) interrupt 2 using 1 Delay(300); Flag=!Flag; /s3按下觸發(fā)一次，標(biāo)志位取反 2 網(wǎng)上搜索資料2.1 步進電機的主要特性(1)步距角。步進電機的步距角是反映步進

15、電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。它是決定步進伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的重要參數(shù)。數(shù)控機床中常見的反應(yīng)式步進電機的步距角一般為。步距角越小，數(shù)控機床的控制精度越高。(2)矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mjmax和啟動轉(zhuǎn)矩Mq。矩角特性是步進電機的一個重要特性，它是指步進電機產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的變化規(guī)律。(3)啟動頻率fq。空載時，步進電機由靜止突然啟動，并進入不丟步的正運行所允許的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率。若啟動時頻率大于突跳頻率，步進電機就不能正常啟動。空載啟動時，步進電機定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。(4)連續(xù)運行的最高工作頻率fmax。步進電機連續(xù)運行時，它所

16、能接受的，即保證不丟步運行的極限頻率，稱為最高工作頻率。它是決定定子繞組通電狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，它決定了步進電機的最高轉(zhuǎn)速。(5)加減速特性。步進電機的加減速特性是描述步進電機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關(guān)系。當(dāng)要求步進電機啟動到大于突跳頻率的工作頻率時，變化速度必須逐漸上升；同樣，從最高工作頻率或高于突跳頻率的工作頻率停止時，變化速度必須逐漸下降。逐漸上升和下降的加速時間、減速時間不能過小，否則會出現(xiàn)失步或超步。我們用加速時間常數(shù)Ta和減速時間常數(shù)Td來描述步進電機的升速和降速特性，如Error! Reference source

17、not found.所示。圖2.1 步進電機的升速和降速特性圖2.2 步進電機小知識（轉(zhuǎn)）1.什么是步進電機?步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。您可以通過控制脈沖個來控制角位移量，從而達到準(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轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。2.步進電機分哪幾種?步進電機分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般

18、為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。3.什么是保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）?保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如， 當(dāng)人們說2N.m的步進電機，在沒

19、有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。4.什么是DETENT TORQUE?DETENT TORQUE 是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT TORQUE 在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。5.步進電機精度為多少？是否累積?一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。6.步進電機的外表溫度允許達到多少?步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝

20、氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。7.為什么步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降?當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時，電機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，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。8.為什么步進電機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?步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機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，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率

21、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（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。9.如何克服兩相混合式步進電機在低速運轉(zhuǎn)時的振動和噪聲?步進電機低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大是其固有的缺點，一般可采用以下方案來克服：A.如步進電機正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區(qū)；B.采用帶有細分功能的驅(qū)動器，這是最常用的、最簡便的方法；C.換成步距角更小的步進電機，如三相或五相步進電機；D.換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高；E.在電機軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產(chǎn)品，但機械結(jié)構(gòu)改變較大。10.細分驅(qū)動器的細分數(shù)是否能代表精度?步進電機的細分技術(shù)實質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)（請參考有關(guān)文獻），其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉(zhuǎn)精度只是細分技術(shù)的一個附帶功能。比如對于步進角為1.8°的兩相混合式步進電機，如果細分驅(qū)動器的細分數(shù)設(shè)置為4，那么電機的運轉(zhuǎn)分辨率為每個脈沖0.45°，電機的精度能否達到或接近0.45°，還取決于細分驅(qū)動器的細分電流控制精度