步進(jìn)電機原理及術(shù)語(yǔ)

步進(jìn)電機作為執行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自動(dòng)化設備中。步進(jìn)
電機和普通電動(dòng)機不同之處在于它是一種將電脈沖信號轉化為角位移的執行機構，它同時(shí)完成兩個(gè)
工作：一是傳遞轉矩，二是控制轉角位置或速度。
電機工作原理:圖 2.1 為兩相步進(jìn)電機的工作原理示意圖，它有2 個(gè)繞組。當一個(gè)繞組通電后，其定子磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)， 將轉子吸合到此磁極處。若繞組在控制脈沖的作用下， 通電方向順序按照

四個(gè)狀態(tài)周而復始進(jìn)行變化，電機可順時(shí)針轉動(dòng)；通電時(shí)序為

時(shí)，電機就逆時(shí)針轉動(dòng)?？刂泼}沖每作用一次，通電方向就變化

一次，使電機轉動(dòng)一步，即90 度。4 個(gè)脈沖，電機轉動(dòng)一圈。脈沖頻率越高，電機轉動(dòng)越快，實(shí)
際電機的節構要比模型復雜，并且每轉一步，一般為1-8°。
步進(jìn)電機的輸出力矩與電機的有效體積、線(xiàn)圈匝數、磁通量、電流成正比，因此，電機有效體
積越大，勵磁安匝數越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之越小。

步進(jìn)電機術(shù)語(yǔ):

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。
步距角：
對應一個(gè)脈沖信號，電機轉子轉過(guò)的角位移。一般二相電機的步距角為 1.8 度，即電機運動(dòng)
200 步為一周。
靜力矩（HOLDING TORQUE）：
是指步進(jìn)電機通以額定電流但沒(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)的轉矩接近靜力矩。
定位力矩（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。
步距角精度：
步進(jìn)電機每轉過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：（誤差/步距角）′ 100%。
步進(jìn)角的誤差不累積。
最大空載起動(dòng)頻率：
電機在某種驅動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。
最大空載的運行頻率：
電機在某種驅動(dòng)形式、電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高運行頻率。
相電流：
電機繞組所通過(guò)的電流。
電機矩頻特性：
電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與脈沖頻率關(guān)系的曲線(xiàn)稱(chēng)為電機矩頻特性，這是電
機諸多動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)中最重要的，也是電機選擇的根本依據。如圖2.2 所示，在低速時(shí)的電機力矩接近
靜力矩，隨著(zhù)電機速度的增加，電機輸出力矩不斷衰減。
電機的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機運行時(shí)的相電流在額定電流和電壓下，相電流越大，電機輸出力矩
在低速時(shí)越大，電壓越高，高速運轉時(shí)力矩越大。

圖2.2 電機矩頻特性曲線(xiàn)
圖2.2 中，1-3 表示電壓或電流的值變大時(shí)，力矩的變化趨勢。另外，請注意，同一電機
的矩頻特性曲線(xiàn)在不同驅動(dòng)器下的表示是會(huì )有差異的，所以選型時(shí)要留有余量。
電機的共振點(diǎn)：

步進(jìn)電機均有相對固定的共振區域，2、4 相混合式步進(jìn)電機的共振區一般在180～250pps 之
間（步距角1.8 度）。電機驅動(dòng)電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區向
上偏移。為使電機輸出力矩大，不失步及使系統的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應偏移共振區較多。注
意：細分會(huì )改變共振區的位置。
丟步（失步）：
控制器給電機發(fā)了 n 個(gè)脈沖，步進(jìn)電機并沒(méi)有轉動(dòng)n 個(gè)步距角。一般當電機力矩偏小、加速度
偏大、速度偏高、摩擦力不均勻等都會(huì )使丟步現象發(fā)生。
步進(jìn)電機的類(lèi)型：
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）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)電機是指綜合了永磁式和反應式的優(yōu)點(diǎn)而設計的步進(jìn)電機。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。目前，兩相混合式步進(jìn)電機最常用。
步進(jìn)電機的極性：
步進(jìn)電機分雙極性電機和單極性電機。如圖 2.3（a）所示雙極性電機，電流在2 個(gè)線(xiàn)圈流動(dòng)
時(shí)序為AA ? BB ? AA ? B B ；而單極性電機線(xiàn)圈中電流的流動(dòng)方向是固定的，如圖2.3
（b）所示，其通電時(shí)序為VA ? VC ? VB ? VD 。
單極性電機的驅動(dòng)器較雙極性電機驅動(dòng)器簡(jiǎn)單，但單極性電機的輸出力矩較小。

（a）雙極性電機（b）單極性電機
圖2.3 步進(jìn)電機線(xiàn)圈的極性
步進(jìn)電機線(xiàn)圈的串、并聯(lián)：
許多 2 相步進(jìn)電機有8 根引線(xiàn)，這種電機既可以串聯(lián)連接又可以并聯(lián)連接。
串聯(lián)連接的電機，電流較小，低頻力矩較大；并聯(lián)連接的電機，電感較小，所以啟動(dòng)、停止速
度較快，高頻力矩有所增大

步進(jìn)電機結構: