步進(jìn)電機解析，步進(jìn)電機的類(lèi)型分類(lèi)及步進(jìn)電機的制動(dòng)原理

　　步進(jìn)電機又稱(chēng)為脈沖電機，基于最基本的電磁鐵原理，它是一種可以自由回轉的電磁鐵，其動(dòng)作原理是依靠氣隙磁導的變化來(lái)產(chǎn)生電磁轉矩。其原始模型是起源于年至年間。年前后開(kāi)始以控制為目的的嘗試，應用于氫弧燈的電極輸送機構中。這被認為是最初的步進(jìn)電機。二十世紀初，在電話(huà)自動(dòng)交換機中廣泛使用了步進(jìn)電機。由于西方資本主義列強爭奪殖民地，步進(jìn)電機在缺乏交流電源的船舶和飛機等獨立系統中得到了廣泛的使用。二十世紀五十年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應用在步進(jìn)電機上，對于數字化的控制變得更為容易。到了八十年代后，由于廉價(jià)的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現，步進(jìn)電機的控制方式更加靈活多樣。

　　步進(jìn)電機相對于其它控制用途電機的最大區別是，它接收數字控制信號電脈沖信號并轉化成與之相對應的角位移或直線(xiàn)位移，它本身就是一個(gè)完成數字模式轉化的執行元件。而且它可開(kāi)環(huán)位置控制，輸入一個(gè)脈沖信號就得到一個(gè)規定的位置增量，這樣的所謂增量位置控制系統與傳統的直流控制系統相比，其成本明顯減低，幾乎不必進(jìn)行系統調整。步進(jìn)電機的角位移量與輸入的脈沖個(gè)數嚴格成正比，而且在時(shí)間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數量、頻率和電機繞組的相序，即可獲得所需的轉角、速度和方向。

　　我國的步進(jìn)電機在二十世紀七十年代初開(kāi)始起步，七十年代中期至八十年代中期為成品發(fā)展階段，新品種和高性能電機不斷開(kāi)發(fā)，目前，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是永磁材料、半導體技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，使步進(jìn)電機在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應用。

　　步進(jìn)電機控制技術(shù)及發(fā)展概況

　　作為一種控制用的特種電機，步進(jìn)電機無(wú)法直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專(zhuān)用的驅動(dòng)電源步進(jìn)電機驅動(dòng)器。在微電子技術(shù)，特別計算機技術(shù)發(fā)展以前，控制器脈沖信號發(fā)生器完全由硬件實(shí)現，控制系統采用單獨的元件或者集成電路組成控制回路，不僅調試安裝復雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設計電路。這就使得需要針對不同的電機開(kāi)發(fā)不同的驅動(dòng)器，開(kāi)發(fā)難度和開(kāi)發(fā)成本都很高，控制難度較大，限制了步進(jìn)電機的推廣。

　　由于步進(jìn)電機是一個(gè)把電脈沖轉換成離散的機械運動(dòng)的裝置，具有很好的數據控制特性，因此，計算機成為步進(jìn)電機的理想驅動(dòng)源，隨著(zhù)微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，軟硬件結合的控制方式成為了主流，即通過(guò)程序產(chǎn)生控制脈沖，驅動(dòng)硬件電路。單片機通過(guò)軟件來(lái)控制步進(jìn)電機，更好地挖掘出了電機的潛力。因此，用單片機控制步進(jìn)電機已經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數字化的時(shí)代趨。

　　步進(jìn)電機的類(lèi)型

　　步進(jìn)電機從其結構形式上可分為反應式步進(jìn)電機（Variable Reluctance，VR）、永磁式步進(jìn)電機Permanent Magnet，PM）、混合式步進(jìn)電機（Hybrid Stepping，HS）、單相步進(jìn)電機、平面步進(jìn)電機等多種類(lèi)型，在我國所采用的步進(jìn)電機中以反應式步進(jìn)電機為主。步進(jìn)電機的運行性能與控制方式有密切的關(guān)系，步進(jìn)電機控制系統從其控制方式來(lái)看，可以分為以下三類(lèi)：開(kāi)環(huán)控制系統、閉環(huán)控制系統、半閉環(huán)控制系統。半閉環(huán)控制系統在實(shí)際應用中一般歸類(lèi)于開(kāi)環(huán)或閉環(huán)系統中。［1］

　　反應式：定子上有繞組、轉子由軟磁材料組成。結構簡(jiǎn)單、成本低、步距角小，可達1.2°、但動(dòng)態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大，可靠性難保證。

　　永磁式：永磁式步進(jìn)電機的轉子用永磁材料制成，轉子的極數與定子的極數相同。其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角大（一般為7.5°或15°）。

　　混合式：混合式步進(jìn)電機綜合了反應式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，其定子上有多相繞組、轉子上采用永磁材料，轉子和定子上均有多個(gè)小齒以提高步矩精度。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好，步距角小，但結構復雜、成本相對較高。

　　按定子上繞組來(lái)分，共有二相、三相和五相等系列。最受歡迎的是兩相混合式步進(jìn)電機，約占97%以上的市場(chǎng)份額，其原因是性?xún)r(jià)比高，配上細分驅動(dòng)器后效果良好。該種電機的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅動(dòng)器后，步距角減少為0.9°，配上細分驅動(dòng)器后其步距角可細分達256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，實(shí)際控制精度略低。同一步進(jìn)電機可配不同細分的驅動(dòng)器以改變精度和效果。

　　步進(jìn)電機：一種將電脈沖信號變換成相應的角位移或直線(xiàn)位移的機電執行元件。

　　數控裝置輸出的進(jìn)給脈沖數量、頻率和方向經(jīng)過(guò)驅動(dòng)控制電路達到步進(jìn)電機后，可以轉換為工作臺的位移量、進(jìn)給速度和進(jìn)給方向。

　　步進(jìn)電機的制動(dòng)原理

　　步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個(gè)脈沖信號，電機則轉過(guò)一個(gè)步距角。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。

　　1、步進(jìn)電機的構造（以5相步進(jìn)為例）

　　步進(jìn)電機的構造主要采用圖示的方式進(jìn)行講解：

　　步進(jìn)電動(dòng)機構造上大致分為定子與轉子兩部分。 轉子由轉子 1、轉子 2、永久磁鋼等 3 部分構成。而且轉子朝軸方向已經(jīng)磁化，轉子 1 為 N 極時(shí)，轉子 2 則為 S 極。

　　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。

　　系統構成圖示

　　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。

　　電動(dòng)機構造圖2∶與轉軸成垂直方向的斷面圖

　　2、步進(jìn)電機的運轉原理。

　　實(shí)際上經(jīng)過(guò)磁化后的轉子及定子的小齒的位置關(guān)系，在此說(shuō)明如下。 首先解釋勵磁，勵磁就是指電動(dòng)機線(xiàn)圈通電時(shí)的狀態(tài)。

　　● A相勵磁

　　將 A 相勵磁，會(huì )使得磁極磁化成 S 極，而其將與帶有 N極磁性的 轉子 1 的小齒互相吸引，并與帶有S極磁性的轉子 2 的小齒相斥， 于平衡后停止。此時(shí)，沒(méi)有勵磁的 B相磁極的小齒和帶有 S極磁性 的轉子 2 的小齒互相偏離 0.72°。以上是 A 相勵磁時(shí)的定子和轉子小齒的位置關(guān)系。

　　● B相勵磁

　　其次由 A 相勵磁轉為 B 相勵磁時(shí)，B 相磁極磁化成 N 極，與擁有 S極磁性的轉子 2 互相吸引，而與擁有 N極磁性的轉子 1 相斥。

　　也就是說(shuō)，從 A 相勵磁轉換至 B 相勵磁時(shí)，轉子轉動(dòng) 0.72°。由此可知， 勵磁相位隨 A相→ B相→ C相→ D相→ E相→ A相依次轉換，則步進(jìn)電動(dòng)機以每次 0.72°做正確的轉動(dòng)。同樣的，希望作反方向轉動(dòng)時(shí)，只需將勵磁順序倒轉，依照 A相→ E相→ D相→ C相→ B相→ A相勵磁即可。

　　0.72°的高分辨率，是取決于定子和轉子構造上的機械偏移量，所以不需要編碼器等傳感器即可正確的定位。下圖就5相步進(jìn)每次的位移量是0.72°進(jìn)行更詳細的說(shuō)明：

　　由于第一組定子正好與轉子相對應吸引。就勢必會(huì )導致第二組定子與對應的轉子相偏離（定子與轉子齒距一樣，但是各自所在的2個(gè)圓不一樣大）。而這個(gè)偏離值正好是齒距的十分之一。因此普通5相步進(jìn)的步距角為：360°/50齒/10=0.72°

　　高分辨率5相步進(jìn)的步距角為：360°/100齒/10=0.36°

　　另外，就停止精度而言， 會(huì )影響的只有定子與轉子的加工精度、組裝精度、及線(xiàn)圈的直流電阻的不同等而已，因此可獲得 ±3 分（無(wú)負載時(shí)）的高停止精度。 實(shí)際上步進(jìn)電動(dòng)機是由驅動(dòng)器來(lái)進(jìn)行勵磁相的轉換，而勵磁相的轉換時(shí)機則是由輸入驅動(dòng)器的脈沖信號所進(jìn)行。以上舉的是 1相位勵磁的例子，實(shí)際運轉時(shí)，為有效利用線(xiàn)圈同時(shí)進(jìn)行 4相或 5相勵磁的。

　　3、步進(jìn)電動(dòng)機的特征

　?。?）運轉需要的三要素：控制器、驅動(dòng)器、步進(jìn)電動(dòng)機

　　以上三部分是步進(jìn)電機運轉必不可少的三部分?？刂破饔纸忻}沖產(chǎn)生器，目前主要有plc、單片機、運動(dòng)板卡等等。

　?。?）運轉量與脈沖數的比例關(guān)系

　?。?）運轉速度與脈沖速度的比例關(guān)系

　?。?）本身具有保持力

　　步進(jìn)電機只有在通電狀況下，才具備自我保持力。在停電狀況下 ，自我保持力消失。

　　因此在升降設備傳動(dòng)時(shí)，務(wù)必使用附電磁剎車(chē)型步進(jìn)電機。

　　雖然步進(jìn)電機已被廣泛地應用，但步進(jìn)電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規下就能使用。它必須由脈沖信號、功率驅動(dòng)電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進(jìn)電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專(zhuān)業(yè)知識。但是萬(wàn)丈高樓平地起，從步進(jìn)電機的基礎開(kāi)始學(xué)習，無(wú)疑為將來(lái)的應用打好扎實(shí)的基礎。