步進(jìn)電機工作原理

一、什么是步進(jìn)電機

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)控制電機，又稱(chēng)為脈沖電機。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。當步進(jìn)驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號時(shí)，它就可以驅動(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”。

步進(jìn)電機的旋轉是以固定的角度一步一步運行的，可以通過(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)電機多用于數字式計算機的外部設備，以及打印機、繪圖機和磁盤(pán)等裝。

二、步進(jìn)電機的特點(diǎn)：

步進(jìn)電機工作時(shí)的位置和速度信號不反饋給控制系統，如果電機工作時(shí)的位置和速度信號反饋給控制系統，那么它就屬于伺服電機。相對于伺服電機，步進(jìn)電機的控制相對簡(jiǎn)單，但不適用于精度要求較高的場(chǎng)合。

步進(jìn)電機的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都非常的突出，優(yōu)點(diǎn)集中于控制簡(jiǎn)單、精度高，缺點(diǎn)是噪聲、震動(dòng)和效率，它沒(méi)有累積誤差，結構簡(jiǎn)單，使用維修方便，制造成本低。步進(jìn)電機帶動(dòng)負載慣量的能力大，適用于中小型機床和速度精度要求不高的地方，缺點(diǎn)是效率較低、發(fā)熱大，有時(shí)會(huì )“失步”。優(yōu)缺點(diǎn)如下所示。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 電機操作易于通過(guò)脈沖信號輸入到電機進(jìn)行控制；

2. 不需要反饋電路以返回旋轉軸的位置和速度信息（開(kāi)環(huán)控制）；

3. 由于沒(méi)有接觸電刷而實(shí)現了更大的可靠性。

缺點(diǎn)：

1. 需要脈沖信號輸出電路；

2. 當控制不適當的時(shí)候，可能會(huì )出現同步丟失；

3. 由于在旋轉軸停止后仍然存在電流而產(chǎn)生熱量。

三、步進(jìn)電機的分類(lèi)：

在相同電流且相同轉矩輸出的條件下，單極型步進(jìn)電機比雙極型步進(jìn)電機多一倍的線(xiàn)圈，成本更高，控制電路的結構也不一樣，目前市場(chǎng)上流行的大多是雙極型步進(jìn)電機。

步進(jìn)電機在構造上通常主要按照轉子特點(diǎn)和定子繞組進(jìn)行分類(lèi)，下面將詳細介紹這兩種類(lèi)型的分類(lèi)。

按照轉子分類(lèi)，有三種主要類(lèi)型：反應式(VR型)、永磁式(PM型)、混合式(HB型)。

反應式

定子上有繞組，繞組由軟磁材料組成。其結構簡(jiǎn)單、成本低、步距角小，可達1.2度，但動(dòng)態(tài)性能差，效率低、發(fā)熱大，可靠性難以保證。

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，但這種電機度差，步距角大（一般為7.5度或15度）。

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)，其定子上有很多相繞組，轉子上采用永磁材料，轉子和定子均有多個(gè)小齒以提高步距精度。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。

步進(jìn)電機按照定子上繞組來(lái)分類(lèi)，共有二相、三相和五相等系列。目前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度／步，配上半步驅動(dòng)器后，步距角減少為0.9度，配上細分驅動(dòng)器后。其步距角可細分達256倍（0.007度／微步）。由于摩檫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)器以改變精度的效果。

四、步進(jìn)電機的工作原理：

步進(jìn)電機是通過(guò)脈沖信號來(lái)進(jìn)行控制，每輸入一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電機前進(jìn)一步。步進(jìn)電機旋轉的步距角，是在電機結構的基礎上等比例控制產(chǎn)生的，如果控制電路的細分控制不變，那么步進(jìn)旋轉的步距角在理論上是一個(gè)固定的角度。在實(shí)際工作中，電機旋轉的步距角會(huì )有微小的差別，主要是由于電機結構上的固定有誤差產(chǎn)生的，而且這種誤差不會(huì )積累。

步進(jìn)電機的總極數越大，加工精度的要求就會(huì )越高。通常工業(yè)用混合型步進(jìn)電機的步距角是1.8度，就是200極。

步進(jìn)電機的相電流及磁場(chǎng)，遵循安培右手螺旋定律，由電能產(chǎn)生磁場(chǎng)能量，控制電機相電流，就能使電機定子的磁極方向發(fā)生反轉，二相磁場(chǎng)的變化相配合，進(jìn)而產(chǎn)生電機的旋轉。

如果電流方向發(fā)生變化，磁極的方向也會(huì )發(fā)生變化，步進(jìn)電機的電流流過(guò)定子產(chǎn)生磁場(chǎng)的過(guò)程叫做勵磁。

通常所說(shuō)的二相步進(jìn)電機，電機轉子的旋轉，包含不同磁極的磁場(chǎng)相斥和相吸實(shí)現的。如上圖所示，A相產(chǎn)生N極磁場(chǎng)吸引轉子的S極，B相產(chǎn)生S極磁場(chǎng)吸引轉子的N極，使定子產(chǎn)生旋轉的動(dòng)力。如果改變A、B相定子線(xiàn)圈的電流方向，電機會(huì )產(chǎn)生另一步的旋轉。連續改變A、B相定子線(xiàn)圈的電流方向，電機會(huì )產(chǎn)生連續的旋轉。

如上圖所示，電機的運動(dòng)是通過(guò)改變電流在電機中的流動(dòng)來(lái)實(shí)現的，電子轉子排斥B相磁極的定子，吸引A相磁極的定子，這就產(chǎn)生了另一個(gè)步進(jìn)操作。

執行另一個(gè)步進(jìn)操作，電機定子磁極反轉，轉子排斥B相磁極的定子，吸引A相磁極的定子，如上圖所示。

如上圖所示，定子線(xiàn)圈中的電流方向無(wú)論何時(shí)發(fā)生變化，磁極將會(huì )反轉，轉子重復步進(jìn)操作。東芝步進(jìn)電機驅動(dòng)控制電路對電機的磁場(chǎng)勵磁的控制，是通過(guò)脈寬調制方式實(shí)現的，能夠實(shí)現電機高效、穩定的運行。