什么是步進(jìn)電機(jī)？步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)、結(jié)構(gòu)及其原理，步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)特性

　　步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。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（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(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)，利用其沒有積累誤差（精度為100%）的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。

　　現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。

　　永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；

　　反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)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(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

　　混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。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。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，也是本次細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案所選用的步進(jìn)電機(jī)。

　　步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其原理

　　步進(jìn)電機(jī)是一種同步電機(jī)，其結(jié)構(gòu)同其它電機(jī)一樣，由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子為激磁場(chǎng)，其激磁磁場(chǎng)為脈沖式，即磁場(chǎng)以一定頻率步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子則隨磁場(chǎng)一步一步前進(jìn)。步進(jìn)電機(jī)主要有 反應(yīng)式、電磁式、永磁式幾種。下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例，來討論其工作原理：

　　步進(jìn)電機(jī)由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成。轉(zhuǎn)子和定子均由帶齒的硅鋼片疊成。定子上有繞組分為若干相，每相磁極上有極齒。當(dāng)某相定子繞組通以直流電壓激磁后，便吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子上的齒與該相定子的齒對(duì)齊，令轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，依次向定子繞組輪流激磁，會(huì)使轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

　　步進(jìn)電機(jī)的定子可以做成三、四、五、六相甚至于做成八相，各相繞組可在定子上徑向排列，也可在定子的軸向上分段排列。

　　下面的FLASH為步進(jìn)電機(jī)的工作原理動(dòng)畫演示，所選示例為單定子徑向分相式反應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的斷面圖。轉(zhuǎn)子上有均勻分布的40個(gè)齒，沒有繞組。A、B、C 三相定子每相兩極，每極上有5個(gè)齒，與轉(zhuǎn)子一樣齒間夾角均為9°。如果A 相通電則轉(zhuǎn)子齒與A 相極齒對(duì)齊，這時(shí)在B 相兩極下定子齒與轉(zhuǎn)子齒中心線并不對(duì)齊，而是轉(zhuǎn)子齒中心線較定子齒中心線反時(shí)針方向落后1/3齒距，即3°。C 相下，轉(zhuǎn)子齒超前6°。因此，當(dāng)通電狀態(tài)由A 相變?yōu)锽 相時(shí)，轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過3°，C 相通電再轉(zhuǎn)3°。步距角為

　　雙拍通電激磁，即按A-AB-B-BC-C-CA-A……的順序通電激磁，則步距角為

　　一般而言

　　式中：m——繞組相數(shù)；

　　z——轉(zhuǎn)子齒數(shù)，單拍通電kp＝1，雙拍通電kp＝2。如果按上述相反的方向通電，則步進(jìn)電機(jī)將反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

　　圖1所示為五相五定子軸向分相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。定子和轉(zhuǎn)子都分為5段，呈軸向布置。其上均有16個(gè)齒，故齒距為22.5°，各相定子彼此徑向錯(cuò)開1/5個(gè)齒的齒距（也可以由五段轉(zhuǎn)子彼此徑向錯(cuò)開1/5齒距）。如果按A-B-C-D-E-A……的五相五拍通電，步距角為

　　如果按AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB……的十拍通電，則步距角為2.25°。

　　圖2（a）為160BF02型六相功率步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子有40個(gè)齒，不分段由硅鋼片疊成。步距角可以是1.5°或0.75°。電機(jī)的定子如圖（b）所示由硅鋼片疊成分為三段，每段有8個(gè)磁極，單數(shù)極屬于同一相，雙數(shù)極屬于另一相，極齒的齒夾角也是360°/40＝9°，每段上的兩相磁極的極齒彼此便錯(cuò)開4.5°。三段定子裝入機(jī)殼內(nèi)時(shí)，三段上的記號(hào)槽相互徑向錯(cuò)開120°，因而三段上三個(gè)均布鍵槽對(duì)齊，在鍵槽中用鍵固定。這樣裝配后，段與段之間的極齒便錯(cuò)開1.5°，如果第一段的兩相為A、D相，則第二段為B、E相，第三段為C、F相。功率步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大，繞組上的電流大。結(jié)構(gòu)上采用徑向與軸向分相相結(jié)合的形式，徑向尺寸小，慣性小，散熱好，而且沒有磁漏。

　　步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)

　　電機(jī)固有步距角：

　　它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如86BYG250A型電機(jī)給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時(shí)為0.9°、整步工作時(shí)為1.8°），這個(gè)步距角可以稱之為‘電機(jī)固有步距角’，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。

　　步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)：

　　是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則‘相數(shù)’將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。

　　保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）：

　　是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。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2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。

　　DETENT TORQUE：

　　是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT TORQUE在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。

　　步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)特性

　?。?）即使是同一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，在使用不同驅(qū)動(dòng)方案時(shí)，其矩頻特性也相差很大。

　?。?）步進(jìn)電機(jī)在工作時(shí)，脈沖信號(hào)按一定順序輪流加到各相繞組上（由驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的環(huán)形分配器控制繞組通斷電的方式）。

　?。?）步進(jìn)電機(jī)與其它電動(dòng)機(jī)不同，其標(biāo)稱額定電壓和額定電流只是參考值；又因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)是以脈沖方式供電，電源電壓是其最高電壓，而不是平均電壓，所以，步進(jìn)電機(jī)可以超出其額定值范圍工作。但選擇時(shí)不應(yīng)偏離額定值太遠(yuǎn)。

　?。?）步進(jìn)電機(jī)沒有積累誤差：一般步進(jìn)電機(jī)的精度為實(shí)際步距角的百分之三到五，且不累積。

　?。?）步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度：步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

　?。?）步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降：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，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。

　?。?）步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定頻率就無法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：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)速從低速升到高速）

　?。?）混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的供電電源電壓一般是一個(gè)較寬的范圍（比如IM483的供電電壓為12～48VDC），電源電壓通常根據(jù)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機(jī)工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅(qū)動(dòng)器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動(dòng)器。

　?。?）供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源，電源電流一般可取I的1.1～1.3倍；如果采用開關(guān)電源，電源電流一般可取I的1.5～2.0倍。

　?。?0）當(dāng)脫機(jī)信號(hào)FREE為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出到電機(jī)的電流被切斷，電機(jī)轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（脫機(jī)狀態(tài)）。在有些自動(dòng)化設(shè)備中，如果在驅(qū)動(dòng)器不斷電的情況下要求直接轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸（手動(dòng)方式），就可以將FREE信號(hào)置低，使電機(jī)脫機(jī)，進(jìn)行手動(dòng)操作或調(diào)節(jié)。手動(dòng)完成后，再將FREE信號(hào)置高，以繼續(xù)自動(dòng)控制。

　?。?1）用簡(jiǎn)單的方法調(diào)整兩相步進(jìn)電機(jī)通電后的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，只需將電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器接線的A+和A-（或者B+和B-）對(duì)調(diào)即可。

　　（12）四相混合式步進(jìn)電機(jī)一般由兩相步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)，因此，連接時(shí)可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián)接法將四相電機(jī)接成兩相使用。串聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較低的場(chǎng)合使用，此時(shí)需要的驅(qū)動(dòng)器輸出電流為電機(jī)相電流的0.7倍，因而電機(jī)發(fā)熱??；并聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合使用（又稱高速接法），所需要的驅(qū)動(dòng)器輸出電流為電機(jī)相電流的1.4倍，因而步進(jìn)電機(jī)發(fā)熱較大。