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首頁(yè)；星悅娛樂(lè)平臺(tái)；首頁(yè)步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖進(jìn)行控制，將電脈沖(數(shù)字信號(hào))轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
通常步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度 (稱(chēng)為步距角)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。
步進(jìn)電機(jī)輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。因此：
可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的；
步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差 的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。
單相步進(jìn)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩只在定子電流變換時(shí)產(chǎn)生，其平均轉(zhuǎn)矩比兩相以上的電機(jī)小得多，響應(yīng)脈沖頻率也在100pps(pulse per second)以下，故其用途受到很大限制，只能在響應(yīng)脈沖頻率比較低的輕載下運(yùn)行。例如時(shí)鐘、車(chē)用計(jì)時(shí)器、水表計(jì)數(shù)器。
三相步進(jìn)電機(jī)定子線(xiàn)圈的主極數(shù)為三的倍數(shù)，故三相步進(jìn)電機(jī)的定子主極數(shù)為3、6、9、12等。
轉(zhuǎn)子由永磁材料構(gòu)成。PM型轉(zhuǎn)子為內(nèi)轉(zhuǎn)子型，圓柱形轉(zhuǎn)子的外表面分布N、S極(外表面無(wú)齒)。
2.2.2 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(Variable Reluctance，VR)
轉(zhuǎn)子由硅鋼片或電工純鐵棒等導(dǎo)磁體構(gòu)成，轉(zhuǎn)子外表面為多齒結(jié)構(gòu)(轉(zhuǎn)子的齒槽在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生磁阻變化，故又稱(chēng)為變磁阻電機(jī))。
與永磁電機(jī)產(chǎn)生磁性吸引轉(zhuǎn)矩和排斥轉(zhuǎn)矩相比，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)只產(chǎn)生吸引轉(zhuǎn)矩。
下圖為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)。圖中定子上均勻分布了12個(gè)磁極，每個(gè)磁極相距30°；相差90°的四個(gè)線(xiàn)圈組成一相繞組。轉(zhuǎn)子齒數(shù)為8，當(dāng)一相繞組通電時(shí)，其定子極吸引轉(zhuǎn)子齒，使氣隙磁阻最小，達(dá)到靜止位置。
第一步，為第1相線(xiàn)圈的簡(jiǎn)化圖，剖面線(xiàn)相定子磁極吸引，轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)到定子磁極之下。
第二步，第1相繞組電流關(guān)閉，第2相繞組通電，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一步(15°=齒節(jié)距除以定子相數(shù))，旋轉(zhuǎn)至第2相定子磁極之下停止。
第三步，同樣給第3相繞組通電，轉(zhuǎn)子同樣逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)15°，與定子第3相磁極相對(duì)位置停止。
下一刻，第1相繞組又通電，又由步驟3的轉(zhuǎn)子位置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)15°到第1相定子磁極下，恢復(fù)到第一步狀態(tài)。
特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，步距角小。但因反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)不使用永久磁鐵，其定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度與激磁電流成正比，要想增大磁場(chǎng)強(qiáng)度，就需要很大的激磁電流，因此溫升很高，散熱片也很大，并且動(dòng)態(tài)性能差，效率低，可靠性差。
混合式步進(jìn)電機(jī)有兩相、三相、五相式，本節(jié)以?xún)上嗷旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)進(jìn)行說(shuō)明。
混合式步進(jìn)電機(jī)的名稱(chēng)由其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)得來(lái)，其轉(zhuǎn)子是PM型轉(zhuǎn)子與VR型轉(zhuǎn)子的復(fù)合體。
混合式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為兩個(gè)導(dǎo)磁圓盤(pán)中間夾著一個(gè)永磁圓柱體軸向串在一起，兩個(gè)導(dǎo)磁圓盤(pán)的外圓齒節(jié)距相同，與前述的VR型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相同，其兩個(gè)圓盤(pán)的齒錯(cuò)開(kāi)1/2齒距安裝，轉(zhuǎn)子圓柱永磁體軸向充磁，一段為N，另一端為S。
這種電機(jī)轉(zhuǎn)子與前面敘述的PM型轉(zhuǎn)子從結(jié)構(gòu)來(lái)看，PM型轉(zhuǎn)子的N極與S極分布于轉(zhuǎn)子外表面，要提高分辨率，就要提高極對(duì)數(shù)，通常20mm直徑的轉(zhuǎn)子可配置24極，如再增加極數(shù)，會(huì)增大漏磁，降低電磁轉(zhuǎn)矩；而混合式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子N極與S極分布在兩個(gè)不同的軟磁圓盤(pán)上，因此可以增加轉(zhuǎn)子極數(shù)，從而提高分辨率，20mm的直徑的轉(zhuǎn)子可配置100極，并且磁極磁化方向?yàn)檩S向，N極與S極在裝配后兩極磁化，充磁簡(jiǎn)單。
與轉(zhuǎn)子齒對(duì)應(yīng)的定子極，主極內(nèi)徑有與轉(zhuǎn)子齒節(jié)距相同的小齒，與轉(zhuǎn)子齒的磁通在氣隙內(nèi)相互作用，能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。
從下圖可以看到它其實(shí)只有兩個(gè)獨(dú)立通電的線(xiàn)圈，也就是說(shuō)這個(gè)步進(jìn)電機(jī)是兩相步進(jìn)電機(jī)。
這是給線(xiàn)圈A通電，如下圖：轉(zhuǎn)子齒是S極，線(xiàn)圈會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，由于異性相吸，所以紅色的定子齒會(huì)和轉(zhuǎn)子齒相吸引，由于同性互斥，所以黃色的齒會(huì)排斥轉(zhuǎn)子齒。
磁場(chǎng)發(fā)生了變化，定子會(huì)發(fā)生微小的轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)1.8度，如下圖：轉(zhuǎn)子齒是S極，線(xiàn)圈會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，由于異性相吸，所以藍(lán)色的定子齒會(huì)和轉(zhuǎn)子齒相吸引，由于同性互斥，所以綠色的齒會(huì)排斥轉(zhuǎn)子齒。
值得注意的是，這是半步進(jìn)的驅(qū)動(dòng)方式，走一步是1.8度，如果是兩個(gè)線(xiàn)圈同時(shí)都通電的話(huà)，就是全步進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式了，走一步是0.9度。這樣控制更加精確。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果步進(jìn)電機(jī)的線(xiàn)圈是可以雙向?qū)щ姷?，那么這個(gè)步進(jìn)電機(jī)就是雙極性的，相反，如果步進(jìn)電機(jī)的線(xiàn)圈是只允許單向?qū)щ姷?，那么這個(gè)步進(jìn)電機(jī)就是單極性的。
下圖的線(xiàn)圈中間導(dǎo)線(xiàn)總是接電源正極（也有總是接電源負(fù)極的），通過(guò)改變電源接地的位置來(lái)改變電磁場(chǎng)，從而改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角度。
下圖為單極和雙極的兩相驅(qū)動(dòng)電路及其電壓波形，兩相式通常用兩相激磁方式(通常兩個(gè)相同時(shí)加激磁電壓)。
比較單極式與雙極式的驅(qū)動(dòng)電路，單極式驅(qū)動(dòng)電路用4個(gè)功率管，線(xiàn)圈電流在線(xiàn)圈內(nèi)單一方向流動(dòng)。雙極式驅(qū)動(dòng)電路使用功率管的個(gè)數(shù)為單極式的兩倍，需要8個(gè)，線(xiàn)圈電流在線(xiàn)圈內(nèi)正反向交替流過(guò)，Tr1與Tr4或Tr3與Tr2同時(shí)且交替導(dǎo)通，Tr1與Tr3即使短時(shí)同時(shí)導(dǎo)通，也會(huì)造成電源短路，產(chǎn)生很大的電流，因此有必要附加防止短路電路。雙極式驅(qū)動(dòng)電路比單極式驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜很多。
下圖為單極式步進(jìn)電機(jī)及其線(xiàn)圈不使用中間抽頭，兩個(gè)線(xiàn)圈串聯(lián)做雙極式驅(qū)動(dòng)的單極式與雙極式的特性曲線(xiàn)。且均采用同一恒電流驅(qū)動(dòng)方式。
由此可看出，一般低速大轉(zhuǎn)矩的負(fù)載使用雙極式驅(qū)動(dòng)，而高速驅(qū)動(dòng)的負(fù)載使用單極式驅(qū)動(dòng)。
低速時(shí)雙極式的輸出轉(zhuǎn)矩比單極式約大50%。高速時(shí)，因雙極式匝數(shù)多的原因，電感變大，使電流減小，從而轉(zhuǎn)矩減小。
故針對(duì)負(fù)載的大小、使用速度、加速時(shí)間等，有必要合理選擇單極式或雙極式的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合。
步進(jìn)電機(jī)分辨率即步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈(360°)所走的步數(shù)，若已知步進(jìn)電機(jī)步距角，可使用360°除以步距角來(lái)計(jì)算步進(jìn)電機(jī)分辨率。步進(jìn)電機(jī)分辨率越高，位置精度越高。
其中，θs為步進(jìn)電機(jī)步距角；P為定子相數(shù)；Nr為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)(即轉(zhuǎn)子極數(shù)除以2)。
注：在反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)中，步距角不能用上式計(jì)算，而是上式的兩倍。即分辨率與永磁式及混合式相比，雖然轉(zhuǎn)子齒數(shù)相同，但反應(yīng)式只有一半。
上述公式的物理意義為：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的機(jī)械角度為360°，如用極數(shù)2Nr去除，相當(dāng)于一個(gè)極所占的機(jī)械角度為180°/Nr。也就是說(shuō)，一個(gè)極的機(jī)械角度用定子相數(shù)去分割，就得到了步距角，如下圖的HS型步進(jìn)電機(jī)所示。
又由上式可知，要提高步進(jìn)電機(jī)的分辨率，就要增加轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)Nr或增加定子相數(shù)P。而增加Nr收到機(jī)械加工的限制，所以要制造高分辨率的步進(jìn)電機(jī)需要兩種方法并用。
是指步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT TORQUE在國(guó)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的翻譯方式，暫且翻譯為定位轉(zhuǎn)矩。
由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有定位轉(zhuǎn)矩。
它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)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(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說(shuō)2Nm的步進(jìn)電機(jī)，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2Nm的步進(jìn)電機(jī)。
一般，最大靜轉(zhuǎn)矩較大的電機(jī)，可以帶動(dòng)較大的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，負(fù)載轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的比值通常取為0.3～0.5，即TL=(0.3～0.5)Tjmax。
按最大靜轉(zhuǎn)矩的值可以把步進(jìn)電機(jī)分為伺服步進(jìn)電機(jī)和功率步進(jìn)電機(jī)，前者輸出力矩較小，有時(shí)需要經(jīng)過(guò)液壓力矩放大器或伺服功率放大系統(tǒng)放大后再去帶動(dòng)負(fù)載，而功率步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩一般大于0.05Nm，它不需要力矩放大裝置就能直接帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)，這不僅大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，而且提高了傳動(dòng)精度。
包括NEMA10、NEMA11、NEMA14、NEMA16、NEMA17。
電動(dòng)機(jī)的性能在很大程度上不僅僅取決于矩角特性的形狀，而且取決于矩頻特性，首先需要根據(jù)計(jì)算出的脈沖速度和運(yùn)行需要的轉(zhuǎn)矩，作出速度一轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)，將該曲線(xiàn)與步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家的矩頻特性曲線(xiàn)比較，若計(jì)算曲線(xiàn)在產(chǎn)品特性之下，則可選擇相應(yīng)的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動(dòng)器的形式有很大的關(guān)系，因而選用時(shí)必須了解給出的性能指標(biāo)是在何種型式的電源及驅(qū)動(dòng)下測(cè)定的。
當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反電動(dòng)勢(shì)越大，在它的作用下，電機(jī)相電流隨頻率(或速度)的增大而減小，從而導(dǎo)致力矩下降。
空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)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(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。
在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)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(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚?。
