什么是步進(jìn)電機？步進(jìn)電機的基本參數、結構及其原理，步進(jìn)電機的特點(diǎn)特性

　　步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進(jìn)驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅動(dòng)步進(jìn)電機按設定的方向轉動(dòng)一個(gè)固定的角度（稱(chēng)為“步距角”），它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數來(lái)控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機轉動(dòng)的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進(jìn)電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒(méi)有積累誤差（精度為100%）的特點(diǎn)，廣泛應用于各種開(kāi)環(huán)控制。

　　現在比較常用的步進(jìn)電機包括反應式步進(jìn)電機（VR）、永磁式步進(jìn)電機（PM）、混合式步進(jìn)電機（HB）和單相式步進(jìn)電機等。

　　永磁式步進(jìn)電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；

　　反應式步進(jìn)電機一般為三相，可實(shí)現大轉矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應式步進(jìn)電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉矩。

　　混合式步進(jìn)電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：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)電機的應用最為廣泛，也是本次細分驅動(dòng)方案所選用的步進(jìn)電機。

　　步進(jìn)電機的結構及其原理

　　步進(jìn)電機是一種同步電機，其結構同其它電機一樣，由定子和轉子組成，定子為激磁場(chǎng)，其激磁磁場(chǎng)為脈沖式，即磁場(chǎng)以一定頻率步進(jìn)式旋轉，轉子則隨磁場(chǎng)一步一步前進(jìn)。步進(jìn)電機主要有 反應式、電磁式、永磁式幾種。下面以反應式步進(jìn)電機為例，來(lái)討論其工作原理：

　　步進(jìn)電機由轉子和定子兩部分組成。轉子和定子均由帶齒的硅鋼片疊成。定子上有繞組分為若干相，每相磁極上有極齒。當某相定子繞組通以直流電壓激磁后，便吸引轉子，使轉子上的齒與該相定子的齒對齊，令轉子轉動(dòng)一定的角度，依次向定子繞組輪流激磁，會(huì )使轉子連續旋轉。

　　步進(jìn)電機的定子可以做成三、四、五、六相甚至于做成八相，各相繞組可在定子上徑向排列，也可在定子的軸向上分段排列。

　　下面的FLASH為步進(jìn)電機的工作原理動(dòng)畫(huà)演示，所選示例為單定子徑向分相式反應步進(jìn)電機的斷面圖。轉子上有均勻分布的40個(gè)齒，沒(méi)有繞組。A、B、C 三相定子每相兩極，每極上有5個(gè)齒，與轉子一樣齒間夾角均為9°。如果A 相通電則轉子齒與A 相極齒對齊，這時(shí)在B 相兩極下定子齒與轉子齒中心線(xiàn)并不對齊，而是轉子齒中心線(xiàn)較定子齒中心線(xiàn)反時(shí)針?lè )较蚵浜?/3齒距，即3°。C 相下，轉子齒超前6°。因此，當通電狀態(tài)由A 相變?yōu)锽 相時(shí)，轉子順時(shí)針?lè )较蜣D過(guò)3°，C 相通電再轉3°。步距角為

　　雙拍通電激磁，即按A-AB-B-BC-C-CA-A……的順序通電激磁，則步距角為

　　一般而言

　　式中：m——繞組相數；

　　z——轉子齒數，單拍通電kp＝1，雙拍通電kp＝2。如果按上述相反的方向通電，則步進(jìn)電機將反時(shí)針?lè )较蛐D。

　　圖1所示為五相五定子軸向分相反應式步進(jìn)電機。定子和轉子都分為5段，呈軸向布置。其上均有16個(gè)齒，故齒距為22.5°，各相定子彼此徑向錯開(kāi)1/5個(gè)齒的齒距（也可以由五段轉子彼此徑向錯開(kāi)1/5齒距）。如果按A-B-C-D-E-A……的五相五拍通電，步距角為

　　如果按AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB……的十拍通電，則步距角為2.25°。

　　圖2（a）為160BF02型六相功率步進(jìn)電機，電機的轉子有40個(gè)齒，不分段由硅鋼片疊成。步距角可以是1.5°或0.75°。電機的定子如圖（b）所示由硅鋼片疊成分為三段，每段有8個(gè)磁極，單數極屬于同一相，雙數極屬于另一相，極齒的齒夾角也是360°/40＝9°，每段上的兩相磁極的極齒彼此便錯開(kāi)4.5°。三段定子裝入機殼內時(shí)，三段上的記號槽相互徑向錯開(kāi)120°，因而三段上三個(gè)均布鍵槽對齊，在鍵槽中用鍵固定。這樣裝配后，段與段之間的極齒便錯開(kāi)1.5°，如果第一段的兩相為A、D相，則第二段為B、E相，第三段為C、F相。功率步進(jìn)電機的輸出轉矩大，繞組上的電流大。結構上采用徑向與軸向分相相結合的形式，徑向尺寸小，慣性小，散熱好，而且沒(méi)有磁漏。

　　步進(jìn)電機的基本參數

　　電機固有步距角：

　　它表示控制系統每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號，電機所轉動(dòng)的角度。電機出廠(chǎng)時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如86BYG250A型電機給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時(shí)為0.9°、整步工作時(shí)為1.8°），這個(gè)步距角可以稱(chēng)之為‘電機固有步距角’，它不一定是電機實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅動(dòng)器有關(guān)。

　　步進(jìn)電機的相數：

　　是指電機內部的線(xiàn)圈組數，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機。電機相數不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°。在沒(méi)有細分驅動(dòng)器時(shí)，用戶(hù)主要靠選擇不同相數的步進(jìn)電機來(lái)滿(mǎn)足自己步距角的要求。如果使用細分驅動(dòng)器，則‘相數’將變得沒(méi)有意義，用戶(hù)只需在驅動(dòng)器上改變細分數，就可以改變步距角。

　　保持轉矩（HOLDING TORQUE）：

　　是指步進(jìn)電機通電但沒(méi)有轉動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉子的力矩。它是步進(jìn)電機最重要的參數之一，通常步進(jìn)電機在低速時(shí)的力矩接近保持轉矩。由于步進(jìn)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，所以保持轉矩就成為了衡量步進(jìn)電機最重要的參數之一。比如，當人們說(shuō)2N.m的步進(jìn)電機，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進(jìn)電機。

　　DETENT TORQUE：

　　是指步進(jìn)電機沒(méi)有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。DETENT TORQUE在國內沒(méi)有統一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應式步進(jìn)電機的轉子不是永磁材料，所以它沒(méi)有DETENT TORQUE。

　　步進(jìn)電機的特點(diǎn)特性

　?。?）即使是同一臺步進(jìn)電機，在使用不同驅動(dòng)方案時(shí)，其矩頻特性也相差很大。

　?。?）步進(jìn)電機在工作時(shí)，脈沖信號按一定順序輪流加到各相繞組上（由驅動(dòng)器內的環(huán)形分配器控制繞組通斷電的方式）。

　?。?）步進(jìn)電機與其它電動(dòng)機不同，其標稱(chēng)額定電壓和額定電流只是參考值；又因為步進(jìn)電機是以脈沖方式供電，電源電壓是其最高電壓，而不是平均電壓，所以，步進(jìn)電機可以超出其額定值范圍工作。但選擇時(shí)不應偏離額定值太遠。

　?。?）步進(jìn)電機沒(méi)有積累誤差：一般步進(jìn)電機的精度為實(shí)際步距角的百分之三到五，且不累積。

　?。?）步進(jìn)電機外表允許的最高溫度：步進(jìn)電機溫度過(guò)高首先會(huì )使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

　?。?）步進(jìn)電機的力矩會(huì )隨轉速的升高而下降：當步進(jìn)電機轉動(dòng)時(shí)，電機各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢；頻率越高，反向電動(dòng)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，從而導致力矩下降。

　?。?）步進(jìn)電機低速時(shí)可以正常運轉，但若高于一定頻率就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機有一個(gè)技術(shù)參數：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動(dòng)頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動(dòng)，脈沖頻率應該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）

　?。?）混合式步進(jìn)電機驅動(dòng)器的供電電源電壓一般是一個(gè)較寬的范圍（比如IM483的供電電壓為12～48VDC），電源電壓通常根據電機的工作轉速和響應要求來(lái)選擇。如果電機工作轉速較高或響應要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過(guò)驅動(dòng)器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅動(dòng)器。

　?。?）供電電源電流一般根據驅動(dòng)器的輸出相電流I來(lái)確定。如果采用線(xiàn)性電源，電源電流一般可取I的1.1～1.3倍；如果采用開(kāi)關(guān)電源，電源電流一般可取I的1.5～2.0倍。

　?。?0）當脫機信號FREE為低電平時(shí)，驅動(dòng)器輸出到電機的電流被切斷，電機轉子處于自由狀態(tài)（脫機狀態(tài)）。在有些自動(dòng)化設備中，如果在驅動(dòng)器不斷電的情況下要求直接轉動(dòng)電機軸（手動(dòng)方式），就可以將FREE信號置低，使電機脫機，進(jìn)行手動(dòng)操作或調節。手動(dòng)完成后，再將FREE信號置高，以繼續自動(dòng)控制。

　?。?1）用簡(jiǎn)單的方法調整兩相步進(jìn)電機通電后的轉動(dòng)方向，只需將電機與驅動(dòng)器接線(xiàn)的A+和A-（或者B+和B-）對調即可。

　?。?2）四相混合式步進(jìn)電機一般由兩相步進(jìn)驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)，因此，連接時(shí)可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián)接法將四相電機接成兩相使用。串聯(lián)接法一般在電機轉速較低的場(chǎng)合使用，此時(shí)需要的驅動(dòng)器輸出電流為電機相電流的0.7倍，因而電機發(fā)熱??；并聯(lián)接法一般在電機轉速較高的場(chǎng)合使用（又稱(chēng)高速接法），所需要的驅動(dòng)器輸出電流為電機相電流的1.4倍，因而步進(jìn)電機發(fā)熱較大。