五线四相单极性步进电机28BYJ-48结构及原理

28BYJ48介绍

• 28BYJ-48步进电机命名规则：
  • 28：步进电机的有效最大外径是28毫米
  • B：表示是步进电机
  • Y：表示是永磁式
  • J：表示是减速型（减速比1:64）
  • 48：表示四相八拍
    
• 规格承认书举例：
  1.型号：BH-28BYJ48-002
  2.额定电压：马达端子电压:5. OV DC
  3.相数：4相
  4.驱动方式：1-2相励磁单极驱动
  5.步距角：5.625° /64 (输出轴)，减速比1/64
  6.电阻：20Ω±15%/相 25°C
  7.最大空载牵出频率：≥1000 pps
  8.最大空载牵入频率：≥500 pps
  9.牵入转矩：60mN.m/5VDC 100 Hz
  10.绝缘电阻：在引接线和外壳之间施加500VDC, 测得绝缘电阻大于100MΩ。
  11.重量：38g
  12.噪音：电机在5VDC/ 100Hz条件下空载运行，距电机10cm处测得噪音值不大于40dB（A计权）
  13.耐湿测试：电机在温度为40°C，相对湿度为90% ~ 95%的环境中置放48小时，然后取出在常温下置放30分钟
  14.耐高温试验：电机在温度为80°C， 相对湿度为90%~ 100%的环境中置放48小时，然后取出在常温下置放30分钟
  15.冲击或跌落试验：电机在X，Y, Z三个方向分别承受80g的冲击力各1次; 或电机在装箱状态下，从75cm高处，以X，Y，Z三个方向各跌落一次， 电机应正常
  16.寿命测试：电机在5VDC 100 Hz，10mN. cm的负荷状态下，经过3000小时90° 正反方向旋转，电机应满足要求,盐雾试验8小时。
  17.使用条件：温度 -10°C~45°C .相对湿度： 35%~85%
  18.马达低温使用环境温度根据油的性能而定，常规油可以-20°到120° 工作，低温油可以-40° -140° (参考)

参考产品：28BYJ48步进电机-5V通用款；

单极性与双极性

单极性 (unipolar) 和双极性 (bipolar) 是步进电机常采用的两种驱动电路。

• 单极性驱动电路使用四颗晶体管来驱动步进电机的两组相位，电机定子绕线结构上图左边所示，包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有5条线与外界连接。3和4端不能同时通电（1和2端同理），否则磁极上的两个线圈产生的磁通相互抵消，只产生线圈的铜耗。因为它其实只有两个相位（1和2绕组为一相，3和4绕组为一相)。更常用的线圈端子编号为1和3一组，2和4一组，这样四相八拍控制时，相邻两拍不会是控制同一线圈。

• 双极性步进电机的驱动电路则上图右边所示，它使用八颗晶体管来驱动两组相位。定子磁极的线圈为单线圈绕组，通过切换线圈1和2和线圈3和4的的电流方向来切换磁极的正反方向。步进电机的发展初期由于受到晶体管半导体原件的成本影响，单极性电机由于其控制电路使用的晶体管数量少而得到一定范围的应用，但是随着上世纪五六十年代半导体材料的高速发展，晶体管成本大大降低，双极性电机凭借着性能上的优势使其使用量急剧增加。

• 单极性步进电机与双极性步进电机，在均采用同一恒流驱动方式下，单极驱动与双极驱动的矩频曲线对比曲线如下。电流与线圈匝数的乘积称为安匝数，与转矩成正比，如果两者转速相同，输出功率与安匝数有比例关系。双极性电流为V/2R，匝数也为2N，乘积的结果与单极性同为VN/R。输入恒压驱动的情形，单极性与双极性比较，电流只有单极性的二分之一，低速时的效率为单极性的2倍。所以小型化或低速应用时，有大转矩需求，应使用双极性电机及驱动。高速应用的情况下，因为双极性电机匝数多，电感变大，反电势增大，使高速时电流减少，从而降低转矩，所以需要注意与单极性的转矩比较。一般低速大转矩的负载应用使用双极性驱动，而高速驱动应用以单极性驱动较为合适。
  
  参考：电机技术；

矩频特性

• 保持转矩（HOLDING TORQUE）
  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1N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为1N.m的步进电机。

• 脉冲频率－转矩特性是选用步进电机的重要特性。纵轴为动态转矩（dynamic torque) , 横轴取响应脉冲频率，响应脉冲频率用pps (pulse per second) 作为单位，即每秒的脉冲数表示。
  步进电机的动态转矩产生包括失步转矩（pull-out-torque/丢失转矩)和牵入转矩（pull-in-torque/起动转矩) 两个转矩。牵人转矩范围为从零到最大自起动脉冲频率或最大自起动频率区域、牵入曲线包围的区域称为自起动区域。电机同步进行正反转起动运行，在牵入与失步区域之间为运转区，电机在此区域内可带相应负载同步连续运行，超出范围的负载转矩将不能连续运行，出现失步现象。步进电机为开环驱动控制，其负载转矩与电磁转矩之间要有裕度，其值应为50%~80%.
  失步转矩与牵入转矩在pps时相等。随着控制脉冲频率的增加，带负载能力会下降。在运行开始，控制脉冲频率应缓慢增加，以便利用低速下的大转矩，提供电机在低速运行时需要加速转矩，减少加速时间。步进电机定子线圈的电感设计的越小，最大响应脉冲频率就越大，这样就可将慢加速驱动变为快加速驱动运行。

• 频率－转矩特性图及参数的意义
  

  • 驱动频率（Driving Pulse）：步进马达驱动发出的脉冲信号，根据马达的特性和用户实际需求进行设定，例如500pps,1000pps等。
  • 输出力矩（Output Torque）：步进马达在设定的驱动条件下所能产生的用于外在负载的能力，以力矩值为指标反映。
  • 自启动区域：在该区域条件下使用时马达可以直接启动，停止和反转
  • PULLIN LINE:相对应驱动频率下带动的对应纵轴负载MAX值，能够正常启动动作，不出现丢步等现象。
  • PULLOUT LINE:马达启动后，相对应驱动频率下带动的对应纵轴负载MAX值，能够正常动作，不丢步。但是如果直接在该区域内启动，有可能出现启动阶段丢步的现象。
  • A点：Holding Torque ,能够输出的保持力矩
  • B点：自启动最大频率点，能够满足直接启动的最大频率
  • C点：启动后，连续动作的最大频率点

  选型马达时，从额定电压下的步进马达矩频曲线去读取频率和力矩的对应关系。

  例如上图中假定频率设定在P1点，使用时拖动的负载就不能大于T1，如果需要能够以工作频率直接启动拖动的负载就不能大于T2，即需要设定在自启动区域内。

• 脉冲频率－惯量特性
  步进电机在带惯性负载快速起动时，须有足够的起动加速度。因此如负载的惯量增加，则起动脉冲频率就下降，为此，在选择步进电机时对两者要进行综合考虑。
  
  图中纵轴为最大自起动频率，横轴为负载惯量，曲线表示负载惯量与最大自起动脉冲频率之间的关系。

参考：步进电机的原理与特性之基本特性； 步进电机—特性图；

步距角及计算

步进电机步距角的定义：当步进电机切换一次定子绕组的激磁电流时，转子就旋转一个固定角度即步距角。步距角一般由切换的相电流产生的旋转力矩得到，所以需要每相极数是偶数。步进电机通常都为两相以上的，当然也有一些特殊的只有一个线圈的单相步进电机。虽说单相，实为一个线圈产生的磁通方向交互反转而驱动转子转动。

步进电机步距角是步进电机的一个属性，决定了其运动的基础，而步距角取决于电机上的磁极总数。步距角计算公式是将360°除以电机所有相的磁极总数，用以下步距角计算公式表示：
步距角 = 360° / N

• The parameter N is calculated by multiplying the number of magnetic poles per phase (NPH) by the number of phases (PH): N = (NPH * PH)

• Parameter definitions: NPH: Number of magnetic poles per phase; PH: Number of phases; N: Total number of magnetic poles for all phases

• Motor types are typically referred to as “PH-phase / N-pole motors”.## 步进电机分辨率
  步进电机分辨率(定义：一圈的步数360°除以步距角)越高，位置精度越高，所以为了得到高分辨率，设计的极数要多。
  PM型转子为N与S极在转子的铁心外表面上交互等节距放置，转子极数为N极与S极数之和，简单来说，假设极对数为1，此处确定转子为永久磁铁的步进电机的步距角θs，可见公式：

• θs=180°/PNr
  其中Nr为转子极对数，P为定子相数；

• 该公式的物理意义是 转子旋转一周的机械角度为360°，如用极数 2Nr去除，相当于一个极所占的机械角度即180°/Nr。这就是说，一个极的机械角度用定子相数去分割就得到步距角。

• 由公式也可得知，步距角越小，分辨率越高，因此要提高步进电机的分辨率，就要增加转子极对数Nr或采用定子相数P较多的多相式方法。而Nr的增加受到机械加工的限制，所以要制造高分辨率的步进电机需要两种方法并用才行。

电机拆解

• 常见的步进电机线圈及驱动图 实际不是常用爪极步进电机的线圈驱动图，步距角不对。
  

• 28BYJ-48步进电机拆解图
  
  注意最后线圈图中，电机定子中有上下两个线圈（上线圈两端子为AC，下线圈两端子为BD），每个线圈又有上下两片磁极片，每片上有8个爪极（相当于A线圈通电控制8个磁极，C线圈通电时控制下8个磁极），上下交替排列，相当于每个线圈有16个磁极。那么整个电机定子就又32个磁极（ABCD每个端子（相）通电都控制8个磁极，相互交错排列，如下图）
  
  
  上下两层定子磁极各有16个磁极，上下两层磁极之间相差11.25度（1/32圈），转子上有16个磁极，相邻两磁极方向相反。由A相通电后给B相通电，转子顺时针转动11.25度。

参考：
步进电机控制之28BYJ-48拆解分析；
步进电机24BYJ28从结构到控制逻辑；

参考文档

1. 28BYJ48-W01规格书
2. 28BYJ-48 步进电机规格书
3. 24BYJ48 步进电机使用手册