深度剖析步進(jìn)電機

　　步進(jìn)電機因其在速度和位置控制精度上的優(yōu)秀性能，在電機行業(yè)中應用廣泛。對于步進(jìn)電機的架構和驅動(dòng)方式、工作原理、應用中的注意事項，我們將進(jìn)行深度剖析。

　　步進(jìn)電機是一種作為控制用的特種電機, 它的旋轉是以固定的角度(稱(chēng)為"步距角")一步一步運行的, 其特點(diǎn)是沒(méi)有積累誤差(精度為100%), 所以廣泛應用于各種開(kāi)環(huán)控制。步進(jìn)電機的運行要有一電子裝置進(jìn)行驅動(dòng), 這種裝置就是步進(jìn) 電機驅動(dòng)器, 它是把控制系統發(fā)出的 脈沖信號轉化為步進(jìn)電機的角位移, 或者說(shuō): 控制系統每發(fā)一個(gè)脈沖信號, 通過(guò)驅動(dòng)器就使步進(jìn)電機旋轉一步距角，所以步進(jìn)電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比。因此控制步進(jìn)脈沖信號的頻率，可以對電機精確調速;控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數，可以對電機精確定位目的。這一線(xiàn)性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。

　　一、步進(jìn)電機的構造(以五相步進(jìn)電機為例)

　　步進(jìn)電機的構造如下圖所示，大致分為定子和轉子兩部分。轉子由轉子1、轉子2和永久磁鋼組成。

　　定子擁有小齒狀的磁極，共有 10個(gè)，皆繞有線(xiàn)圈。 其線(xiàn)圈的對角位置的磁極相互連接著(zhù)，電流流通后，線(xiàn)圈即會(huì )被磁 化成同一極性。(例如某一線(xiàn)圈經(jīng)由電流的流通后，對角線(xiàn)的磁極將 同化成 S 極或 N 極。) 對角線(xiàn)的 2個(gè)磁極形成 1個(gè)相，而由于有 A相至 E相等 5個(gè) 相位，因此稱(chēng)為 5 相步進(jìn) 電動(dòng)機。

　　轉子的外圈由 50個(gè)小齒構成，轉子 1 和轉子 2 的小齒于構造上互 相錯開(kāi) 1/2 螺距。由此轉子形成了100個(gè)小齒。目前已經(jīng)有轉子單個(gè)加工至100齒的高分辨率型，那么高分辨率型的轉子就有200個(gè)小齒。因此其機械上就可以實(shí)現普通步進(jìn)電機半步(普通步進(jìn)電機半步需要電氣細分達到)的分辨率。

　　二、 步進(jìn)電機工作原理

　　當電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì )帶動(dòng)轉子旋轉一角度，使得轉子的一對磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當定子的矢量磁場(chǎng)旋轉一個(gè)角度。轉子也隨著(zhù)該磁場(chǎng)轉一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機轉動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比、轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會(huì )反轉。所以可用控制脈沖數量、頻率及電動(dòng)機各相繞組的通電順序來(lái)控制步進(jìn)電機的轉動(dòng)。

　　三、步進(jìn)電機的控制

　　步進(jìn)電機驅動(dòng)方式有三種基本的驅動(dòng)模式：整步、半步、細分。其主要區別在于電機線(xiàn)圈電流的控制精度(即激磁方式)。通常步進(jìn)電機都有低頻振動(dòng)的特點(diǎn)，通過(guò)細分調協(xié)可以改善電機低速動(dòng)運行的平衡性。下面給大家詳細介紹一下：

　　1、整步驅動(dòng)

　　在整步運行中，同一種步進(jìn)電機既可配整/半步驅動(dòng)器也可配細分驅動(dòng)器，但運行效果不同。步進(jìn)電機驅動(dòng)器按脈沖/方向指令對兩相步進(jìn)電機的兩個(gè)線(xiàn)圈循環(huán)激磁(即將線(xiàn)圈充電設定電流)，這種驅動(dòng)方式的每個(gè)脈沖將使電機移動(dòng)一個(gè)基本步距角，即1.80度 (標準兩相電機的一圈共有200個(gè)步距角)。

　　2、半步驅動(dòng)

　　在單相激磁時(shí)，電機轉軸停至整步位置上，驅動(dòng)器收到下一脈沖后，如給另一相激磁且保持原來(lái)相繼處在激磁狀態(tài)，則電機轉軸將移動(dòng)半個(gè)步距角，停在相鄰兩個(gè)整步位置的中間。如此循環(huán)地對兩相線(xiàn)圈進(jìn)行單相然后雙相激磁步進(jìn)電機將以每個(gè)脈沖0.90度的半步方式轉動(dòng)。和整步方式相比，半步方式具有精度高一倍和低速運行時(shí)振動(dòng)較小的優(yōu)點(diǎn)，所以實(shí)際使用整/半步驅動(dòng)器時(shí)一般選用半步模式。

　　3、細分驅動(dòng)

　　細分驅動(dòng)模式具有低速振動(dòng)極小和定位精度高兩大優(yōu)點(diǎn)。對于有時(shí)需要低速運行(即電機轉軸有時(shí)工作在60rpm以下)或定位精度要求小于0.90度的步進(jìn)應用中，細分驅動(dòng)器獲得廣泛應用。

　　其基本原理是對電機的兩個(gè)線(xiàn)圈分別按正弦和 余弦形的臺階進(jìn)行精密電流控制，從而使得一個(gè)步距角的距離分成若干個(gè)細分步完成。例如十六細分的驅動(dòng)方式可使每圈200標準步的步進(jìn)電機達到每圈200*16=3200步的運行精度(即0.1125°)。

　　四、應用中的注意點(diǎn)

　　1、步進(jìn)電機應用于低速場(chǎng)合---每分鐘轉速不超過(guò)1000轉，(0.9度時(shí)6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度)間使用，可通過(guò)減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機工作效率高，噪音低。

　　2、步進(jìn)電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。

　　3、轉動(dòng)慣量大的負載應選擇大機座號電機。

　　4、電機在較高速或大慣量負載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。

　　5、高精度時(shí)，應通過(guò)機械減速、提高電機速度,或采用高細分數的驅動(dòng)器來(lái)解決，也可以采用5相電機，不過(guò)其整個(gè)系統的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠(chǎng)家少。

　　五、步進(jìn)電機測試注意點(diǎn)

　　根據國標GB/T 20638-2006，對于步進(jìn)電機的測試我們一般需要關(guān)注反電動(dòng)勢常數、保持轉矩、繞組溫升、矩角特性測試、牽出轉矩、最高反轉頻率等測試。

　　對于反電動(dòng)勢常數的測試，可以采用功率分析儀的測試方法直接在儀器上得出反電動(dòng)勢常數。對于牽出轉矩的測試，對于大基座的步進(jìn)電機，一般采用磁粉制動(dòng)器和電機測試平臺來(lái)進(jìn)行測試，小基座的步進(jìn)電機采用彈簧秤和繩子的組合方法來(lái)測試。MPT電機測試系統目前針對步進(jìn)電機的測試可以提供整體的測試方案和測試系統，幫助工程師快速完善研發(fā)設計的步進(jìn)電機。