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1、步進(jìn)電動機步進(jìn)電動機是將電脈沖激勵信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的離散值控制電動機，這種電動機每當(dāng)輸入一個電脈沖就動一步，所以又稱脈沖電動機。把電脈沖信號變換成角位移以控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的微特電機。在自動控制裝置中作為執(zhí)行 元件。每輸入一個脈沖信號，步進(jìn)電動機前進(jìn)一步,故又稱脈沖電動機。步進(jìn)電動機 多用于數(shù)字式計算機的外部設(shè)備，以及打印機、繪圖機和磁盤等裝置。步進(jìn)電動機的驅(qū)動電源由變頻脈沖信號源、脈沖分配器及脈沖放大器組成，由此驅(qū)動電源向電機繞組提供脈沖電流。步進(jìn)電動機的運行性能決定于電機與驅(qū)動電源間的良好配合。分類步進(jìn)電動機分為機電式、磁電式及直線式三種基本類型。機電式步進(jìn)電動機機電式步進(jìn)電動機由
2、鐵心、線圈、齒輪機構(gòu)等組成。螺線管線圈通電時* * mvmMB步進(jìn)電機工作原理將產(chǎn)生磁力，推動其鐵心心子運動，通過齒輪機構(gòu)使輸出軸轉(zhuǎn)動一角度，通過抗旋轉(zhuǎn) 齒輪使輸出轉(zhuǎn)軸保持在新的工作位置；線圈再通電，轉(zhuǎn)軸又轉(zhuǎn)動一角度，依次進(jìn)行步 進(jìn)運動。3種形式。永磁式步進(jìn)磁電式步進(jìn)電動機磁電式步進(jìn)電動機主要有永磁式、反應(yīng)式和永磁感應(yīng)子式電動機由四相繞組組成。A相繞組通電時，轉(zhuǎn)子磁鋼將轉(zhuǎn)向該相繞組所確定的磁場方 向;A相斷電、B相繞組通電時，就產(chǎn)生一個新的磁場方向，這時，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一角度 而位于新的磁場方向上，被激勵相的順序決定了轉(zhuǎn)子運動方向。永磁式步進(jìn)電動機消 耗功率較小,步矩角較大。缺點是起動頻率和運行頻
3、率較低。反應(yīng)式步進(jìn)電動機在定、轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)外表面上設(shè)有按一定規(guī)律分布的相近齒槽，利用這兩種齒槽相對位置變化引起磁路磁幽變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。這種步進(jìn)電動機步矩角可做到1。15。，甚至更小，精度容易保證，起動和運行頻率較高，但功耗較大， 效率較低。永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動機又稱混合式步進(jìn)電動機。是永磁式步進(jìn)電動機和反應(yīng)式步進(jìn)電動機兩者的結(jié)合，并兼有兩者的優(yōu)點。實用的步進(jìn)電機驅(qū)動電路直線式步進(jìn)電動機有反應(yīng)式和索耶式兩類。索耶式直線步進(jìn)電動機由靜止部分（稱為反應(yīng)板）和移 動部分（稱動子）組成。反應(yīng)板由軟磁材料制成，在它上面均勻地開有齒和槽。電機的 動子由永久磁鐵和兩個帶線圈的磁極A和B組成。動子是由氣墊支承，以
4、消除在移動時的機械摩擦，使電機運行平穩(wěn)并提高定位精度。這種電機的最高移動速度可達(dá)米/秒,加速度可達(dá) 2g,定位精度可達(dá) 20多微米。由兩臺索耶式直線步進(jìn)電動機相互垂直組裝 就構(gòu)成平面電動機。給x方向和y方向兩臺電機（圖3）以不同組合的控制電流，就可以使電機在平面內(nèi)做任意幾用單片機控制的四相步迸電動機的電路圖何軌跡的運動。大型自動繪圖機就是把計算機和平面電動機組合在一起的新型設(shè)備。平面電動機也可用于激光剪裁系統(tǒng)，其控制精度和分辨力可達(dá)幾十微米。應(yīng)用主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中， 精度高，運行可靠。如采用位置檢測和速度反饋，亦可實現(xiàn)閉環(huán)控制。步進(jìn)電動機已廣泛地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，如數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)控機
6、動慣外形尺寸LO(mm) L1(mm)接線 （一）單定子、徑向分相、反應(yīng)式步進(jìn)電機的工作原理按電磁鐵的作用原理.當(dāng) A 相繞組通電（用直流電壓激磁）時；形成 A
7、相定子磁極 （AA 方向磁場）,產(chǎn)生反應(yīng)力，吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與A 相定子磁極小齒對齊。.當(dāng)A相繞組斷電，B相繞組通電時，形成 B相定子磁極（BB方向磁場），產(chǎn)生反應(yīng)力，吸引轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過3,使轉(zhuǎn)子齒與B相定子磁極小齒對齊。.以次類推若控制線路不停地按A-B-C八順序控制步進(jìn)電機各相繞組的通斷電，步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子便不停地順時針轉(zhuǎn)動；若通電順序改為A-C-BA，步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子將逆時針轉(zhuǎn)動。這種通電方式稱為三相三拍通電方式；此時定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 3 。若控制線路不停地按 A-AB-B-BC-C-CAA順序控制步進(jìn)電機各相繞組的通斷電，這種通電方式稱為三相六拍通電方
8、式。 當(dāng)從 A 相通電轉(zhuǎn)為 A 和 B 同時通電時， 轉(zhuǎn)子齒將同時受到 A相繞組產(chǎn)生的磁場和 B 相繞組產(chǎn)生的磁場的共同吸引，轉(zhuǎn)子齒只好停在 A 和 B 兩相磁極之間，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過o當(dāng)由A和B兩相同時通電轉(zhuǎn)為 B相通電時，轉(zhuǎn)子再沿順時針方向旋轉(zhuǎn)0,使轉(zhuǎn)子齒與B相磁極對齊。,依此類推。在三相六拍通電時，定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 。與三相三拍通電方式相比，可使每次轉(zhuǎn)角縮小一半。步進(jìn)電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次， 它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的一個確定角度， 稱為步進(jìn)電機的步距角 a 。步距角 a 的計算公式：其中，m為定子繞組的相數(shù)，Z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，K為通電方式系數(shù)；當(dāng) m相m拍通電時， k=1；
9、m 相 2m 拍通電時， k=2（二）、五相五定子、軸向分相、反應(yīng)式步進(jìn)電機工作原理介紹步進(jìn)電機的定子和轉(zhuǎn)子在軸向分為五段， 每一段都形成獨立的一相定子鐵心、 定子繞組和轉(zhuǎn)子；各段定子鐵心形如內(nèi)齒輪， 由硅鋼片疊成；各段定子上的在圓周方向均勻分布，彼此之間錯開15 齒距；各段轉(zhuǎn)子形如外齒輪，也由硅鐵片疊成；各段轉(zhuǎn)子齒彼此不錯位。若控制線路不停地按 A-B-C-D-E-A-順序控制步進(jìn)電機各相繞組的通斷電，這種通電方式稱為五相五拍通電；若控制線路不停地按AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA- EAB- 順序控制步進(jìn)電機各相繞組的通斷電， 這種通電方式稱為五相十拍通電； 步
10、距角 a 的計算仍可采用上述計算公式。小結(jié) :.步進(jìn)電機受脈沖電流控制，轉(zhuǎn)子的角位移正比于輸入脈沖的數(shù)量，轉(zhuǎn)子的角速度正比于輸入脈沖的頻率，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于定子繞組的通電順序。.步進(jìn)電機有一定的步距誤差,但沒有累計誤差。.若維持控制繞組的電流不變,則步進(jìn)電機就可停在某一位置不動。步進(jìn)電機是一種專門用于位置和速度精確控制的特種電機。步進(jìn)電機的最大特點是其“數(shù)字性 ” ， 對于微電腦發(fā)過來的每一個脈沖信號， 步進(jìn)電機在其驅(qū)動器的推動下運轉(zhuǎn)一個固定角度（簡稱一步），如下圖所示。如接收到一串脈沖步進(jìn)電機將連續(xù)運轉(zhuǎn)一段相應(yīng)距離。同時您可通過控制脈沖頻率，直接對電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。由于步進(jìn)電機工作原理易
11、學(xué)易用,成本低(相對于伺服)、電機和驅(qū)動器不易損壞，非常適合于微電腦和單片機控制，因此近年來在各行各業(yè)的控制設(shè)備中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用步進(jìn)電機的種類和特點步進(jìn)電機在構(gòu)造上有三種主要類型：反應(yīng)式( Variable Reluctance, VR)、永磁式(Permanent Magnet,PM )和混合式(Hybrid Stepping,HS)。反應(yīng)式：定子上有繞組、轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成。結(jié)構(gòu)簡單、成本低、步距角小，可達(dá)。、但動態(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(zhuǎn)子用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點是動態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角大
12、(一般為?；?5)?；旌鲜剑夯旌鲜讲竭M(jìn)電機綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點，其定子上有多相繞組、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。其特點是輸出力矩大、動態(tài)性能好，步矩角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對較高。按定子上繞組來分，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%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細(xì)分驅(qū)動器后效果良好。該種電機的基本步矩角為。/步，配上半步驅(qū)動器后，步矩角減少為 0,配上細(xì)分驅(qū)動器后其步矩角可細(xì)分達(dá)256倍(。)。由于摩擦力和制造精度等原因，實際控制精度略低。同一步進(jìn)電機可配不同細(xì)分的驅(qū)動器以改變精度和效果。1.基本結(jié)構(gòu):尊著“轉(zhuǎn)承
13、2.工作原理:簡單的講，步進(jìn)電機驅(qū)動器根據(jù)外來的脈沖，通過其內(nèi)部的邏輯電路控制步進(jìn)電機的繞組按一定的次序正反通電，從而實現(xiàn)其運轉(zhuǎn)。以兩相度，步進(jìn)電機為例,4riy sttcpint with bipolar driver線（雙極性）電機，當(dāng)其繞組的通電方向順序按照AC-BD-CA-DB四個狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，每變化一次，電機運轉(zhuǎn)一步，即度。6-rireftwtor with ixiiooisr driver6線（單極性）電機，當(dāng)其繞組的通電方向順序按照OA-OB-OC-OD四個狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，每變化一次，電機運轉(zhuǎn)一步，即度。JLTLTLnd LrLTLTLnJ LTUirLTLJIRA
15、機最早是在1920年代由英國人所開發(fā)。1950年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機上，對于數(shù)字化的控制變得更為容易。往后經(jīng)過不斷改良， 使得今日步進(jìn)電機已廣泛在生運用在需要高定位精度、高分解能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中。產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機的蹤跡，尤其以重視速度主頁、明朝娛樂注冊、主頁、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進(jìn)電機用得最多。步進(jìn)電機依其構(gòu)造上的差異可分為三大類：（下圖一）可變磁阻式（VR型）:轉(zhuǎn)子以軟鐵加工成齒狀，當(dāng)定子線圈不加激磁電壓時，保持轉(zhuǎn)矩為零，故其 轉(zhuǎn)子慣性小、響應(yīng)性佳，但其容許負(fù)荷慣性并不大。其步進(jìn)角通常為1
16、5。永久磁鐵式（PM型）:轉(zhuǎn)子由永久磁鐵構(gòu)成，其磁化方向為輻向磁化，無激磁時有保持轉(zhuǎn)矩。依轉(zhuǎn) 子材質(zhì)區(qū)分，其步進(jìn)角有45。、90。及。、。、15。、18。等幾種?；旌褪剑℉B型）:轉(zhuǎn)子由軸向磁化的磁鐵制成，磁極做成復(fù)極的形式，其乃兼采可變磁阻式步進(jìn)電機及永久磁鐵式步進(jìn)電機的優(yōu)點，精確度高、轉(zhuǎn)矩大、步進(jìn)角度小。PM J地看（圖一）目前市場上所使用的工業(yè)用步進(jìn)電機，以混和式（ HB型）最為普遍 步進(jìn)電機的特征高精度的定位：步進(jìn)電機最大特征即是能夠簡單的做到高精度的定位控制。以5相步進(jìn)電機 為例：其定位基本單位（分辨率）為。（全步級）/。（半步級），是非常小的；停 止定位精度誤差皆在土價（）。以內(nèi)，
17、且無累計誤差，故可達(dá)到高精度的定位控 制。（步進(jìn)電機的定位精度是取決于電機本身的機械加工精度）位置及速度控制 ：步進(jìn)電機在輸入脈沖信號時， 可以依輸入的脈沖數(shù)做固定角度的回轉(zhuǎn)進(jìn)而得到靈活的角度控制（位置控制），并可得到與該脈沖信號周波數(shù)（頻率）成比例的回轉(zhuǎn)速度。具定位保持力 ：步進(jìn)電機在停止?fàn)顟B(tài)下（無脈波信號輸入時），仍具有激磁保持力，故即使不依靠機械式的剎車，也能做到停止位置的保持。動作靈敏 ：步進(jìn)電機因為加速性能優(yōu)越,所以可做到瞬時起動、停止、正反轉(zhuǎn)之快速、頻繁的定位動作。開回路控制、不必依賴傳感器定位：步進(jìn)電機的控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單， 不需要速度感應(yīng)器（ ENCODER、 轉(zhuǎn)速發(fā)電機）及位置
18、傳感器（SENSOR ,就能以輸入的脈波做速度及位置的控制。也因其屬 開回路控制，故最適合于短距離、高頻度、高精度之定位控制的場合下使用。中低速時具備高轉(zhuǎn)矩：步進(jìn)電機在中低速時具有較大的轉(zhuǎn)矩， 故能夠較同級伺服電機提供更大的扭力輸出。高信賴性 ：使用步進(jìn)電機裝置與使用離合器、 減速機及極限開關(guān)等其它裝置相較， 步進(jìn) 電機的故障及誤動作少，所以在檢查及保養(yǎng)時也較簡單容易。小型、高功率：步進(jìn)電機體積小、扭力大，盡管于狹窄的空間內(nèi)，仍可順利做安裝，并提供高轉(zhuǎn)矩輸出。步進(jìn)電機的速度轉(zhuǎn)矩特性速度-轉(zhuǎn)矩特性取決于電機及驅(qū)動器，尤其與所搭配的驅(qū)動器有著極大的影 響；使用的驅(qū)動器不同，特性上的差異也就會有明顯
19、的不同版權(quán)所有匚帕?？诓╇奍kES(圖二)步進(jìn)電機速度-轉(zhuǎn)矩特性曲線)激磁最大靜止轉(zhuǎn)矩:當(dāng)運轉(zhuǎn)脈沖速度等于 0 Hz時，曲線與Y軸交接的點 即稱為激磁最大靜止轉(zhuǎn)矩。也就是指電機在通電但無輸入脈沖信號的情況下， 其 所具備的保持轉(zhuǎn)矩即稱為激磁最大靜止轉(zhuǎn)矩。(2)脫出轉(zhuǎn)矩：又稱最大轉(zhuǎn)矩，為電機于運轉(zhuǎn)時所能帶動的最大負(fù)荷。(3)最大響應(yīng)頻率：在無負(fù)載、負(fù)荷慣性為 0時，電機所能夠響應(yīng)之最快的 速度。(4)最大自起動頻率：電機在無載的狀態(tài)下可以做到瞬時的起動而不失步的 速度謂之最大自起動頻率。二相與五相步進(jìn)電機的差異步進(jìn)電機主要是依相數(shù)來做分類，而其中又以二相、五相步進(jìn)電機為目前市
20、 場上所廣泛采用。二相步進(jìn)電機每轉(zhuǎn)最細(xì)可分割為400等分，五相則可分割為1000等分，所以表現(xiàn)出來的特性以五相步進(jìn)電機較佳、加減速時間較短、 動態(tài)慣性較低。二相/五相步進(jìn)電機差異比較：二相步進(jìn)電機五相步進(jìn)電機電機構(gòu)造（請參照圖三）8個主極？ 4相（2相）4極線 分割/圈）較二相步進(jìn)電機高出倍分解能。振動性100-200PPS間為低速共振領(lǐng)域，振動較大無顯著共振點低振動速度轉(zhuǎn)矩特性十速度上/、及五相步進(jìn)電機高速度、高轉(zhuǎn)矩版根所有匚AS。（圖三）二相/五相步進(jìn)電機基本性能匯整比較:優(yōu)/CM /稍差分解能振動速度
21、角度精度響應(yīng)性轉(zhuǎn)矩噪音二相步進(jìn)電機OOO五相步進(jìn)電機步進(jìn)電機的驅(qū)動系統(tǒng)步進(jìn)電機在單單僅給予電壓時，電機是不會動作的，必須透過脈波產(chǎn)生器提 供位置（脈波數(shù)）、速度的脈波信號指令，以及驅(qū)動器驅(qū)動電流流過電機內(nèi)部線 圈、 依順序切換激磁相序的方式才能夠讓電機運轉(zhuǎn)。 所以欲使步進(jìn)電機動作的必要系統(tǒng)組成有：.脈沖產(chǎn)生器：給予角度（位置移動量）、動作速度及運轉(zhuǎn)方向之脈沖信號的電機驅(qū)動指令。.步進(jìn)驅(qū)動器：依控制器所投入的脈沖信號指令，提供電流來驅(qū)動步進(jìn)電機動作。.步進(jìn)電機：提供轉(zhuǎn)矩動力輸出來帶動負(fù)載。所以步進(jìn)電機系統(tǒng)構(gòu)成簡單，不需要速度感應(yīng)器（ENCODER轉(zhuǎn)速發(fā)電機）、位置傳感器（SENSOR ,即能依照
22、脈沖產(chǎn)生器所輸入的脈沖來做到速度及位置的控制。步進(jìn)電機的速度、位置控制速度控制 ：步進(jìn)電機的運轉(zhuǎn)速度會與輸入的脈沖速度成等比例的關(guān)系， 所以在脈沖的速度愈快時， 步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速也會跟著加快； 脈波速度愈慢時， 電機的轉(zhuǎn)速自然也跟著變慢。電機的運轉(zhuǎn)速度（RPM）與脈沖速度（PPS又稱Hz）間的關(guān)系式如下：電機的運轉(zhuǎn)速度（RPM）= 脈沖速度（PPS Hz） X 60 一步進(jìn)電機分 割數(shù) / 圈說明：為一般電機的速度單位，即 rev / min,為每分鐘電機所轉(zhuǎn)的圈數(shù)；PPS為 步進(jìn)、伺服電機的速度單位，即 pulse per second,為每秒所送出的脈沖數(shù)。.由于RPM與PPS的單位不同，所
23、以于轉(zhuǎn)換的過程中要先將PPS的秒鐘乘以 60 變?yōu)榉昼?。.步進(jìn)電機分割數(shù)/ 圈，又代表要讓電機轉(zhuǎn)一圈所必須送出的脈沖數(shù)。.上述公式拆解后之單位表示為frev/min = pulse/sec x 60 x 1分割數(shù)實例：五相半步級角 時（即 1000分割 /圈）（1）電機的運轉(zhuǎn)速度600RPM時，即相當(dāng)于脈沖速度10,000PPS（2）脈沖速度3,000PPS即相當(dāng)于電機的運轉(zhuǎn)速度 180RPML位置控制 ：步進(jìn)電機不需要位置傳感器（SENSOR ,就可依照輸入的脈沖數(shù)決定移動量，并將負(fù)載順利、正確的送達(dá)指定位置點上。而移動量的大小，是依照電機分辨率的大小與輸入的脈沖數(shù)來決定。 脈沖數(shù)（ PU
24、LSE） 與移動量間的關(guān)系式如下：位置移動量（）=步進(jìn)電機分辨率（） X輸入脈沖數(shù)實例：二相全步級角 時*當(dāng)輸入1000個脈沖數(shù)（即1000PULSE ,此時之移動量會是1800,剛好 為 5 圈。步進(jìn)電機疑難雜癥處理如何有效改善步進(jìn)電機的溫升問題可依下列步驟作做檢查及確認(rèn)：.是否用于連續(xù)運轉(zhuǎn)的場合（步進(jìn)電機的特性并不適合于連續(xù)運轉(zhuǎn)的場合下使用,在此場合下使用時一定會有較高的溫升產(chǎn)生。 請重新確認(rèn)機構(gòu)動作需求條件并重新評估使用的電機。 ）.請確認(rèn)機構(gòu)動作頻度、周期（走停的動作頻度過高將可能因脈沖輸入停止的時間過短而導(dǎo)致電流尚未下降就又重新激活， 故此時的溫升一定會較高。 建議您可將動作頻度降低
25、以改善溫升問題。.將 RUN 電流調(diào)小情況可否改善（在轉(zhuǎn)矩足夠的情況下將驅(qū)動器的 RUN 電流調(diào)小將可有效的使溫升降低。但若因扭力的關(guān)系 一定得使用到較大的電流時,則建議您可將電機更換為大一等級的電機后再將電流調(diào)低以改善溫升問題。）.將STOP電流調(diào)小情況可否改善（在保持力足夠的情況下將驅(qū)動器的 STOP電流調(diào)小將可于電機停止時有效 的使溫升降低。但若因停止保持力的關(guān)系一定得使用到較大的 STOP電流時，則 建議您可將電機更換為大一等級的電機后再將電流調(diào)低以改善溫升問題。）.驅(qū)動器上的指撥開關(guān)是否打開電流自動降低檔（若未打開，電機停止時電流將無法自動下降，溫開會因此而較高。建議使用此功能，將可
26、避免步進(jìn)電機及驅(qū)動器的溫升問題。）.目前使用的速度是否界于溫升較高（即電流較大）的范圍內(nèi)（由特性曲線圖 中的電流曲線得知）（請盡量避開溫升較高的速度范圍使用，對于溫升的降低將有幫助。）.周圍環(huán)境溫度如何是否過高（電機溫度=環(huán)境溫度+電機溫升，故環(huán)境溫度較高時，電機的溫度也會因此而較高。建議以加裝安裝散熱面板或散熱風(fēng)扇的方式來幫助散熱。）.請確認(rèn)電機端的接線是否正確（相位接錯將造成電機運轉(zhuǎn)不順的抖動現(xiàn)象，亦可能因此而產(chǎn)生溫升較高的問題。）步進(jìn)電機是適應(yīng)機電一體化需要而得到廣泛使用的一種執(zhí)行元件。由于更易于用計算機控制，步進(jìn)電機在自動化控制系統(tǒng)中的起到了很大的作用。隨著計算機和自動化技術(shù)的發(fā)展，步
27、進(jìn)電機的使用范圍還會進(jìn)一步擴大。步進(jìn)電機的發(fā)展過程步進(jìn)電機的歷史非常久遠(yuǎn)，早在19世紀(jì)，人們就已經(jīng)發(fā)明了步進(jìn)電機。這種最古老的步進(jìn)電機，實際上是一種能夠自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵?？梢哉f老式的步進(jìn)電機在工作原理上與現(xiàn)在的反應(yīng)式步進(jìn)電機沒有太大的區(qū)別，都是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機相關(guān)的技術(shù)，在 20世紀(jì)得到了長足的發(fā)展，這是源于人們對造船等工業(yè)的生產(chǎn)需要。步進(jìn)電機飛躍式發(fā)展是在 20世紀(jì)的80年代以后，當(dāng)計算機出現(xiàn)、計算機技術(shù)逐步 成熟后，步進(jìn)電機的控制方式有了完全的變化，各種靈活的控制方式相繼出現(xiàn)。步進(jìn)電機最早的控制系統(tǒng)非常繁瑣，需要復(fù)雜的安裝和調(diào)試過程，并且難以改變。計算 機應(yīng)用后，步
28、進(jìn)電機的控制變成非常簡單的事情，而用計算機軟件控制步進(jìn)電機也成為了當(dāng)時發(fā)展的必然趨勢，同時，步進(jìn)電機與計算機的配合也符合數(shù)字化時代的發(fā)展需要。步進(jìn)電機的種類步進(jìn)電機電機發(fā)展至今已經(jīng)衍生出多個種類，常用的步進(jìn)電機有反應(yīng)式步進(jìn)電機、永磁 式步進(jìn)電機、混合式步進(jìn)電機和單相式步進(jìn)電機等，其中應(yīng)用最廣泛的是反應(yīng)式步進(jìn)電機。 反應(yīng)式步進(jìn)電機是以軟磁制成轉(zhuǎn)子磁路，定子上有多相勵磁繞組， 以磁導(dǎo)的變化來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。反應(yīng)式步進(jìn)電機又稱為磁阻式步進(jìn)電機，其典型是一臺三相電機，定子鐵心由硅鋼片疊 成，定子上有6個磁極，每個磁極上又各有 5個均勻分布的矩形小齒。 三相直線步進(jìn)電機共 有三套定子控制繞組， 繞在徑向相對的
29、兩個磁極上的一套繞組為一相。轉(zhuǎn)子也是由疊片鐵心構(gòu)成，轉(zhuǎn)子上沒有繞組，而是由40個矩形小齒均勻分布在圓周上，相鄰兩齒之間的夾角為9度。按勵磁方式分類，步進(jìn)電機可分為反應(yīng)式、永磁式和感應(yīng)子式。其中反應(yīng)式步進(jìn)電機用 的比較普遍，結(jié)構(gòu)也較簡單。其工作原理。當(dāng)某相繞組通電時，對應(yīng)的磁極就會產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。若此 時定子的小齒與轉(zhuǎn)子的小齒沒有對齊，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一定的角度使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對應(yīng)。由此可見，錯齒是促使步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)的根本原因。例如，在單三拍運行方式中，當(dāng)A相控制繞組通電，而 B、C相都不通電時，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點， 所以轉(zhuǎn)子齒與 A相定子齒對齊。若以此作為
30、初始狀態(tài)，設(shè)與 A相磁極中心磁極的 圖1步進(jìn)電機剖面結(jié)卞轉(zhuǎn)子齒為 0號齒，由于B相磁極與A相磁極相差120度，且120度/9度=不 為整數(shù)，所以，此時13號轉(zhuǎn)子齒不能與 B相定子齒對齊，只是靠近 B相磁極的中心線度。如果此時突然變?yōu)?B相通電，而A、C相都不通電，則 B相磁極迫使13 號小齒與之對齊，整個轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動3度。此時稱電機走了一步。同理，我們按照 ZB-C-A順序通電一周，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動 9度。轉(zhuǎn)速取決于各控制繞組 通電和斷電的頻率（即輸入脈沖頻率），旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流通電的順序。如上述繞組通電順序改為 ZBf A?則電機轉(zhuǎn)向相反。這種按 Z B-8A?方式運行的
31、稱為三相單三拍，主相”是指步進(jìn)電機具有三相定子繞組，單”是指每次只有一相繞組通電，主拍”是指三次換接為一個循環(huán)。此外，三相步進(jìn)電機還可以以三相雙三拍和三相六拍方式運行。三相雙三拍就是按 AB- B GZ AB?歷式供電。與單三拍運行時一樣，每一循環(huán)也是換接3次，共有3種通電狀態(tài)，不同的是每次換接都同時有兩相繞組通電。三相六拍的供電方式是 A- ABf B- B Cf CZ A?一循環(huán)換接六次， 共有六種通電狀態(tài)， 有時只有一相繞組 通電，有時有兩相繞組通電。磁阻式步進(jìn)電機的步距角可由下邊公式求得式中Mc為控制繞組相數(shù)，C為狀態(tài)系數(shù)，三相單三拍或雙三拍時C= 1,三相六拍時 C=2。Zr為轉(zhuǎn)子齒
32、數(shù)，本課題使用的36BF003型步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)為 40。減小步距角的途徑方法由式可知，本課題使用的步進(jìn)電機未細(xì)分時能達(dá)到的最小步距角為度（三相六拍模 式）。轉(zhuǎn)速較高時，由于轉(zhuǎn)子本身的慣性，電機可近似看作勻速轉(zhuǎn)動。但在低速運行時，較 大的步距角造成兩步之間的時間間隔較長，在下一個電脈沖到來之前轉(zhuǎn)子已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動，由此造成運行的不連續(xù)及低頻振動。此外實際應(yīng)用中度的步距角往往不能滿足精度需要，為了提高精度，要求一個脈沖對應(yīng)的位移量小，即步進(jìn)電機的步距角小。減小步距角有以下四種方法：1、增加步進(jìn)電機控制繞組的數(shù)量。由式可知，步距角Q與繞組數(shù)Mc成反比，Mc越大則Q越小。三相步進(jìn)電機單拍運行時的步距角為
33、3度（40轉(zhuǎn)子齒），如果采用四相電機，則步距角減小到度（50轉(zhuǎn)子齒）。但是相數(shù)越多電機結(jié)果越復(fù)雜，制造越困難，靠增加相數(shù) 減小步距角的成本很高。2、增加拍數(shù)。即增大狀態(tài)系數(shù) C。由式知狀態(tài)系數(shù)也與步距角成反比，增加拍數(shù)相 當(dāng)于增加繞組相數(shù)。三相步進(jìn)電機單三拍運行時步距角為3度，采用三相六拍模式后步距角減小到原來的一半。但步進(jìn)電機所能實現(xiàn)的拍數(shù)同繞組相數(shù)直接相關(guān)，三相步進(jìn)電機最多能實現(xiàn)的拍數(shù)是六拍，四相電機最多八拍?？吭黾优臄?shù)減小的步距角有限。3、增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)Zr。由于Zr與步距角Q成反比，增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)也能減小步距角。但受 加工精度、制造成本限制，轉(zhuǎn)子齒數(shù)不能無限增多。4、采用細(xì)分電路。對于一個
34、步進(jìn)電機，采用細(xì)分電路后其步距角減小為原來的1/N （N為細(xì)分?jǐn)?shù)）。理論上N可以無限增大，從而步距角 Q可以無限減小。細(xì)分電路對于任何反應(yīng) 式步進(jìn)電機都適用，尤其是步距角較大的低端步進(jìn)電機，能顯著減小步距角，提高運動精度，從而在某些場合可以代替高端步進(jìn)電機對步進(jìn)電機類另4與結(jié)構(gòu)的分析 步進(jìn)電機按照電機結(jié)構(gòu)分為三種：永磁式（PM）、反應(yīng)式（VR）和混合式（HB） o永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為度或15度；多半用于價格低廉的消費性產(chǎn)品。反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰；混進(jìn)合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反
35、應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相、三相和五相：兩相步距角一般為度，三相步距角為度，而五相步距角一般為度?；爝M(jìn)合式步進(jìn)是工業(yè)運動控制應(yīng)用最常見的電機。止匕外，按照電機驅(qū)動架構(gòu)又可分為單極性（unipolar）和雙極性（bipolar）步進(jìn)電機。單極性驅(qū)動電路使用四顆晶體管來驅(qū)動步進(jìn)電機的兩組相位，電機結(jié)構(gòu)則如圖1所示包含兩組帶有中間抽頭的線圈，整個電機共有六條線與外界連接。這類電機有時又稱為四相電機，但這種稱呼容易令人混淆又不正確，因為它其實只有兩個相位，精確的說法應(yīng)是雙相位六線式步進(jìn)電機。六線式步進(jìn)電機雖又稱為單極性步進(jìn)電機，實際上卻能同時使用單極性或雙極性驅(qū)動電路。圖1:單極性步進(jìn)電機驅(qū)動電路雙極性
36、步進(jìn)電機的驅(qū)動電路則如圖 2所示，它會使用八顆晶體管來驅(qū)動兩組相位。雙極性驅(qū)動電路可以同時驅(qū)動四線式或六線式步進(jìn)電機，雖然四線式電機只能使用雙極性驅(qū)動電路，它卻能大幅降低量產(chǎn)型應(yīng)用的成本。雙極性步進(jìn)電機驅(qū)動電路的晶體管數(shù)目是單極性驅(qū)動電路的兩倍，其中四顆下端晶體管通常是由微控制器直接驅(qū)動，上端晶體管則需要成本較高的上端驅(qū)動電路。雙極性驅(qū)動電路的晶體管只需承受電機電壓，所以它不像單極性驅(qū)動電路一樣需要箝位電路。圖2:雙極性步進(jìn)電機驅(qū)動電路無刷直流電機與步進(jìn)電機結(jié)構(gòu)區(qū)別在于：步進(jìn)電機走的是很小很小的小碎步，最高速度有限，所以能夠精確；而無刷電機則是大步大步的飛奔， 富聯(lián)線路測速？而且涉及就是為了高速飛奔提供動力的
37、，所以想精確的停下來是不可能的。再就是工作方式不同，設(shè)計的阻抗也不同：步進(jìn)電機基本上是工作在堵轉(zhuǎn)模式的，也就是說很多事時候是停下來不動的（定位），而且這是繞組也還是照樣通著電的；而無刷電機，繞組的阻抗一般都很小很?。◣资畮装俸翚W），設(shè)計電流也很大，停下來的時候當(dāng)然就不能通電了，不然非得冒煙不可左總的來說，步進(jìn)電機是為了精確定位（精密轉(zhuǎn)動、不動）而設(shè)計的；而無刷電機則是為 了提供高速旋轉(zhuǎn)動力而設(shè)計的，是從電磁鐵這樣簡單的裝l演變過來的一種電磁能f轉(zhuǎn)換元件，因此設(shè)計擇可以根據(jù)電磁場理論和機械結(jié)構(gòu)的簡繁設(shè)計出各種醒式的步進(jìn)電動機。 從步進(jìn)電動機 的發(fā)展過程來看也是如此，結(jié)構(gòu)縈多的步進(jìn)電動機在歷史上相
38、繼出現(xiàn)。但有的鉆 構(gòu)型式由于效率低、噪聲大、加速性能差、制造工藝復(fù)雜等原因，存在的時間很短就被淘汰了。如草動式、棘輪式、滾切式、柔輪式、諧波式等步進(jìn)電動機，目 前都極少或者不生產(chǎn)了。這里僅就工業(yè)上廣泛應(yīng)用的五種步進(jìn)電動機的結(jié)構(gòu)特點、工作原理作一簡單介紹。（一）反應(yīng)式步進(jìn)電勸機反應(yīng)式步進(jìn)電動機亦稱磁阻式（VR詼進(jìn)電動機。其定轉(zhuǎn)子截路均由軟磁材料側(cè) 成，定子上有多相勵滋繞組，利用磁導(dǎo)的交化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，是目前應(yīng)用最多的一種 步進(jìn)電動機。這種電動機的相效一般為三、四、五、六相。按弱組排列形式，可分為單段 式徑向磁路、多段式徑向成路和多段式軸向田1-4單段徑向磁路反應(yīng)式步進(jìn)電動 機不論哪一種反應(yīng)式步進(jìn)電動
39、機，它們共同的特點是 ：1）氣隙小;為了提高反應(yīng)式步進(jìn)電動機輸出錢矩，氣隙都取得很小。一般是按 工藝允許的最小氣陳進(jìn)行加工，最大靜轉(zhuǎn)矩在IONm以下的電機，氣隙為mm,2）步距角小。因為反應(yīng)式步進(jìn)電動機定、轉(zhuǎn)子是采用，軟磁材料制成的，沒有 磁鋼，靠磁阻變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。在機械加工所能允許的最小齒距情況下，轉(zhuǎn)子的 齒數(shù)可以做得很多。例如電機外徑為 130 m。的電機，當(dāng)轉(zhuǎn)子的齒距為1-2m。 時，齒數(shù)最多可達(dá)250個。因此五相以上的電機，目前最小的步距角可以做到 101左右。3）勵磁電流較大，繞組線徑粗，電阻小。因此為了提高電機的快速性能，往往 希甩電源電壓高一些，這樣就必須在主回路中用入功率較大的
40、限流電阻 0而且要 求馭動電源功率較大，這樣系統(tǒng)效率低。4）電機的內(nèi)阻尼較小。當(dāng)相數(shù)較少時，單步運行振蕩時間可能很長。（二）永磁式步進(jìn)電動機永磁式步進(jìn)電動機是轉(zhuǎn)子或定子的某一方具有永水徽鋼的步進(jìn)電動機。另一 方是由軟磁材料制成，繞組輪流通電開建立的磁場與永久磁鋼的恒定磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩勵磁繞組可以作成兩相或多相，但一般作成兩相控制繞制。按上述動作原理的要求，每相繞組間隔一個脈沖后，電流需要反向。為此驅(qū) 動器應(yīng)采用橋式電路，使繞組可以正反兩個方向通電，如圖 1-8所承。為了筒化 馭動電源，也可以采用每極放里兩套繞組的方法 ，.V動電翻與反應(yīng)式步進(jìn)電動機 一樣。每極的訪套繞組的頭尾相反地接到電源。 由于兩相正反向通電的繞組變成 了四相，增加了用銅量和電動機外形尺寸。永磁式步進(jìn)電動機的特點是：3）起動頗率較低。負(fù)載起動頻率通常在 300H:以下。但電動機的轉(zhuǎn)速不一定比 反應(yīng)式步進(jìn)電動機低，有時反而會高。4）控制功率小，馭動器所使用的電壓邀常為單一電壓，如 24V斌12V,勵磁燒 組電流一般也小于2A,不用或用阻值很小的限流電阻即可。5）內(nèi)部電磁阻尼較大，單步振蕩時間短。6）斷電時電機具有一定的保持轉(zhuǎn)矩，故有記憶佬力，可作定位用
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