步進電機解析，步進電機的類型分類及步進電機的制動原理

　　步進電機又稱為脈沖電機，基于最基本的電磁鐵原理，它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，其動作原理是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。其原始模型是起源于年至年間。年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氫弧燈的電極輸送機構(gòu)中。這被認(rèn)為是最初的步進電機。二十世紀(jì)初，在電話自動交換機中廣泛使用了步進電機。由于西方資本主義列強爭奪殖民地，步進電機在缺乏交流電源的船舶和飛機等獨立系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。二十世紀(jì)五十年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進電機上，對于數(shù)字化的控制變得更為容易。到了八十年代后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電機的控制方式更加靈活多樣。

　　步進電機相對于其它控制用途電機的最大區(qū)別是，它接收數(shù)字控制信號電脈沖信號并轉(zhuǎn)化成與之相對應(yīng)的角位移或直線位移，它本身就是一個完成數(shù)字模式轉(zhuǎn)化的執(zhí)行元件。而且它可開環(huán)位置控制，輸入一個脈沖信號就得到一個規(guī)定的位置增量，這樣的所謂增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流控制系統(tǒng)相比，其成本明顯減低，幾乎不必進行系統(tǒng)調(diào)整。步進電機的角位移量與輸入的脈沖個數(shù)嚴(yán)格成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數(shù)量、頻率和電機繞組的相序，即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、速度和方向。

　　我國的步進電機在二十世紀(jì)七十年代初開始起步，七十年代中期至八十年代中期為成品發(fā)展階段，新品種和高性能電機不斷開發(fā)，目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是永磁材料、半導(dǎo)體技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，使步進電機在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

　　步進電機控制技術(shù)及發(fā)展概況

　　作為一種控制用的特種電機，步進電機無法直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅(qū)動電源步進電機驅(qū)動器。在微電子技術(shù)，特別計算機技術(shù)發(fā)展以前，控制器脈沖信號發(fā)生器完全由硬件實現(xiàn)，控制系統(tǒng)采用單獨的元件或者集成電路組成控制回路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計電路。這就使得需要針對不同的電機開發(fā)不同的驅(qū)動器，開發(fā)難度和開發(fā)成本都很高，控制難度較大，限制了步進電機的推廣。

　　由于步進電機是一個把電脈沖轉(zhuǎn)換成離散的機械運動的裝置，具有很好的數(shù)據(jù)控制特性，因此，計算機成為步進電機的理想驅(qū)動源，隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，軟硬件結(jié)合的控制方式成為了主流，即通過程序產(chǎn)生控制脈沖，驅(qū)動硬件電路。單片機通過軟件來控制步進電機，更好地挖掘出了電機的潛力。因此，用單片機控制步進電機已經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代趨。

　　步進電機的類型

　　步進電機從其結(jié)構(gòu)形式上可分為反應(yīng)式步進電機（Variable Reluctance，VR）、永磁式步進電機Permanent Magnet，PM）、混合式步進電機（Hybrid Stepping，HS）、單相步進電機、平面步進電機等多種類型，在我國所采用的步進電機中以反應(yīng)式步進電機為主。步進電機的運行性能與控制方式有密切的關(guān)系，步進電機控制系統(tǒng)從其控制方式來看，可以分為以下三類：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中一般歸類于開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)中。［1］

　　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1.2°、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（一般為7.5°或15°）。

　　混合式：混合式步進電機綜合了反應(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，步距角小，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。該種電機的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅(qū)動器后，步距角減少為0.9°，配上細(xì)分驅(qū)動器后其步距角可細(xì)分達256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，實際控制精度略低。同一步進電機可配不同細(xì)分的驅(qū)動器以改變精度和效果。

　　步進電機：一種將電脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移或直線位移的機電執(zhí)行元件。

　　數(shù)控裝置輸出的進給脈沖數(shù)量、頻率和方向經(jīng)過驅(qū)動控制電路達到步進電機后，可以轉(zhuǎn)換為工作臺的位移量、進給速度和進給方向。

　　步進電機的制動原理

　　步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。

　　1、步進電機的構(gòu)造（以5相步進為例）

　　步進電機的構(gòu)造主要采用圖示的方式進行講解：

　　步進電動機構(gòu)造上大致分為定子與轉(zhuǎn)子兩部分。 轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子 1、轉(zhuǎn)子 2、永久磁鋼等 3 部分構(gòu)成。而且轉(zhuǎn)子朝軸方向已經(jīng)磁化，轉(zhuǎn)子 1 為 N 極時，轉(zhuǎn)子 2 則為 S 極。

　　定子擁有小齒狀的磁極，共有 10個，皆繞有線圈。 其線圈的對角位置的磁極相互連接著，電流流通后，線圈即會被磁 化成同一極性。（例如某一線圈經(jīng)由電流的流通后，對角線的磁極將 同化成 S 極或 N 極。） 對角線的 2個磁極形成 1個相，而由于有 A相至 E相等 5個相位，因此稱為 5 相步進電動機。

　　系統(tǒng)構(gòu)成圖示

　　轉(zhuǎn)子的外圈由 50個小齒構(gòu)成，轉(zhuǎn)子 1 和轉(zhuǎn)子 2 的小齒于構(gòu)造上互 相錯開 1/2 螺距。由此轉(zhuǎn)子形成了100個小齒。目前已經(jīng)有轉(zhuǎn)子單個加工至100齒的高分辨率型，那么高分辨率型的轉(zhuǎn)子就有200個小齒。因此其機械上就可以實現(xiàn)普通步進電機半步（普通步進電機半步需要電氣細(xì)分達到）的分辨率。

　　電動機構(gòu)造圖2∶與轉(zhuǎn)軸成垂直方向的斷面圖

　　2、步進電機的運轉(zhuǎn)原理。

　　實際上經(jīng)過磁化后的轉(zhuǎn)子及定子的小齒的位置關(guān)系，在此說明如下。 首先解釋勵磁，勵磁就是指電動機線圈通電時的狀態(tài)。

　　● A相勵磁

　　將 A 相勵磁，會使得磁極磁化成 S 極，而其將與帶有 N極磁性的 轉(zhuǎn)子 1 的小齒互相吸引，并與帶有S極磁性的轉(zhuǎn)子 2 的小齒相斥， 于平衡后停止。此時，沒有勵磁的 B相磁極的小齒和帶有 S極磁性 的轉(zhuǎn)子 2 的小齒互相偏離 0.72°。以上是 A 相勵磁時的定子和轉(zhuǎn)子小齒的位置關(guān)系。

　　● B相勵磁

　　其次由 A 相勵磁轉(zhuǎn)為 B 相勵磁時，B 相磁極磁化成 N 極，與擁有 S極磁性的轉(zhuǎn)子 2 互相吸引，而與擁有 N極磁性的轉(zhuǎn)子 1 相斥。

　　也就是說，從 A 相勵磁轉(zhuǎn)換至 B 相勵磁時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動 0.72°。由此可知， 勵磁相位隨 A相→ B相→ C相→ D相→ E相→ A相依次轉(zhuǎn)換，則步進電動機以每次 0.72°做正確的轉(zhuǎn)動。同樣的，希望作反方向轉(zhuǎn)動時，只需將勵磁順序倒轉(zhuǎn)，依照 A相→ E相→ D相→ C相→ B相→ A相勵磁即可。

　　0.72°的高分辨率，是取決于定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)造上的機械偏移量，所以不需要編碼器等傳感器即可正確的定位。下圖就5相步進每次的位移量是0.72°進行更詳細(xì)的說明：

　　由于第一組定子正好與轉(zhuǎn)子相對應(yīng)吸引。就勢必會導(dǎo)致第二組定子與對應(yīng)的轉(zhuǎn)子相偏離（定子與轉(zhuǎn)子齒距一樣，但是各自所在的2個圓不一樣大）。而這個偏離值正好是齒距的十分之一。因此普通5相步進的步距角為：360°/50齒/10=0.72°

　　高分辨率5相步進的步距角為：360°/100齒/10=0.36°

　　另外，就停止精度而言， 會影響的只有定子與轉(zhuǎn)子的加工精度、組裝精度、及線圈的直流電阻的不同等而已，因此可獲得 ±3 分（無負(fù)載時）的高停止精度。 實際上步進電動機是由驅(qū)動器來進行勵磁相的轉(zhuǎn)換，而勵磁相的轉(zhuǎn)換時機則是由輸入驅(qū)動器的脈沖信號所進行。以上舉的是 1相位勵磁的例子，實際運轉(zhuǎn)時，為有效利用線圈同時進行 4相或 5相勵磁的。

　　3、步進電動機的特征

　?。?）運轉(zhuǎn)需要的三要素：控制器、驅(qū)動器、步進電動機

　　以上三部分是步進電機運轉(zhuǎn)必不可少的三部分。控制器又叫脈沖產(chǎn)生器，目前主要有plc、單片機、運動板卡等等。

　　（2）運轉(zhuǎn)量與脈沖數(shù)的比例關(guān)系

　?。?）運轉(zhuǎn)速度與脈沖速度的比例關(guān)系

　?。?）本身具有保持力

　　步進電機只有在通電狀況下，才具備自我保持力。在停電狀況下 ，自我保持力消失。

　　因此在升降設(shè)備傳動時，務(wù)必使用附電磁剎車型步進電機。

　　雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下就能使用。它必須由脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。但是萬丈高樓平地起，從步進電機的基礎(chǔ)開始學(xué)習(xí)，無疑為將來的應(yīng)用打好扎實的基礎(chǔ)。