步進(jìn)電動機(jī)概念及其工作原理

1、步進(jìn)電動機(jī)概念及其工作原理步進(jìn)電動機(jī)是一種將脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移 （ 或線位移 ） 的電磁裝置， 是一種特殊的電動機(jī)。 一般電動機(jī)都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的， 而步進(jìn)電動機(jī)則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)， 當(dāng)有脈沖輸入肘步進(jìn)電動機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動， 每給它一個脈沖信號，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。 步進(jìn)電動機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴(yán)格成正比， 在時間上與輸入脈沖同步， 因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、 頻率及電動機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。 步進(jìn)電動機(jī)按其輸出轉(zhuǎn)矩的大小來分， 可以分為快速步進(jìn)電動機(jī)和功率步進(jìn)電

2、動機(jī)。 快速步進(jìn)電動機(jī)連續(xù)工作頻率高而輸出轉(zhuǎn)矩較小，一般在N cm級，可以作為控制小型精密機(jī)床的工作臺 （ 例線切割機(jī)床） 也可以和液壓轉(zhuǎn)矩放大器組成電液脈沖馬達(dá)去驅(qū)動數(shù)控機(jī)床的工作臺，而功率步進(jìn)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩就比較大是N m級的，可以直接去驅(qū)動機(jī)床的移動部件。 步進(jìn)電動機(jī)按其勵磁相數(shù)，可以分為三相、四相、五相、六相甚至八相。一般來說隨著相數(shù)的增加，在相同頻率的情況下，每相導(dǎo)通電流的時間增加， 各相平均電流會高些， 從而使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩特性會好些，步距角亦小。但是隨著相數(shù)的增加，電動機(jī)的尺寸就增加，結(jié)構(gòu)亦復(fù)雜，目前多用36相的步進(jìn)電動機(jī)。由于步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著輸入脈沖頻率變化而變化，調(diào)

3、速范圍很廣，靈敏度高，輸出轉(zhuǎn)角能夠控制，而且輸出精度較高， 又能實(shí)現(xiàn)同步控制， 所以廣泛地使用在開環(huán)系統(tǒng)中， 也還可用在一般通用步進(jìn)電動機(jī)按其工作原理來分，主要機(jī)床上，提高進(jìn)給機(jī)構(gòu)的自動化水平。有磁電式和反應(yīng)式兩大類， 這里只介紹常用的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理， 現(xiàn)用下圖的步進(jìn)電動機(jī)的簡化圖來加以說明。在電動機(jī)定子上有A、 B、 C 三對磁極，磁極上繞有線圈，分別稱之為 A 相、 B相和 C 相，而轉(zhuǎn)子則是一個帶齒的鐵心，這種步進(jìn)電動機(jī)稱之為三相步進(jìn)電動機(jī)。如果在線圈中通以直流電，就會產(chǎn)生磁場，當(dāng) A 、 B 、 C 三個磁極的線圈依次輪流通電，則 A、 B 、 C 三對磁極就依次輪流產(chǎn)生磁

4、場吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 首先有一相線圈 （設(shè)為 A 相）通電， 則轉(zhuǎn)子 1 、 3 兩齒被磁極A 吸住， 轉(zhuǎn)子就停留在圖5 5a 的位置上。然后， A 相斷電， 6 相通電，則磁極A 的磁場消失磁極 B 產(chǎn)生了磁場，磁極召的磁場把離它最近的 2 、 4 兩齒吸引過去，停止在圖 b 的位置上，這時轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)了30 。再接下去B 相斷電， C 相通電。根據(jù)同樣道理，轉(zhuǎn)子又逆時針轉(zhuǎn)了30 ，停止在圖 c 的位置上。若再 A 相通電， C 相斷開，那么轉(zhuǎn)子再逆轉(zhuǎn)30 ， 使磁極 A 的磁場把 2 、 4 兩個齒吸住。 定子各相輪流通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒。這樣按A-B-C-A-B-C-A-次序輪流通電，步進(jìn)

5、電動機(jī)就一步一步地按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。通電線圈每轉(zhuǎn)換一次，步進(jìn)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)30 ，我們把步進(jìn)電動機(jī)每步轉(zhuǎn)過的角度稱之為步距角。如果把步進(jìn)電動機(jī)通電線圈轉(zhuǎn)換的次序倒過來換成A-C-B-A-C-Bf的順序，則步進(jìn)電動機(jī)將按順時針方向旋轉(zhuǎn)， 所以要改變步進(jìn)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可以在任何一相通電時進(jìn)行。步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)電動機(jī)已成為除直流電動機(jī)和交流電動機(jī)以外的第三類電動機(jī)。 傳統(tǒng)電動機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進(jìn)入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用。 可是在人類社會進(jìn)入自動化時代的今天， 傳統(tǒng)電動機(jī)的功能已不能滿足工廠自動化和辦公自動化等各種運(yùn)動控制系統(tǒng)的要求。 為適應(yīng)這些要求， 發(fā)展了一系列新的具備控制

6、功能的電動機(jī)系統(tǒng)， 其中較有自己特點(diǎn)， 且應(yīng)用十分廣泛的一類便是步進(jìn)電動機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)的發(fā)展與計算機(jī)工業(yè)密切相關(guān)。 自從步進(jìn)電動機(jī)在計算機(jī)外圍設(shè)備中取代小型直流電動機(jī)以后， 使其設(shè)備的性能提高， 很快地促進(jìn)了步進(jìn)電動機(jī)的發(fā)展。 另一方面， 微型計算機(jī)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展， 又將作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進(jìn)電動機(jī)推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域， 如電加工機(jī)床、 小功率機(jī)械加工機(jī)床、 測量儀器、光學(xué)和醫(yī)療儀器以及包裝機(jī)械等。任何一種產(chǎn)品成熟的過程，基本上都是規(guī)格品種逐步統(tǒng)一和簡化的過程。現(xiàn)在，步進(jìn)電動機(jī)的發(fā)展已歸結(jié)為單段式結(jié)構(gòu)的磁阻式、 混合式和爪極結(jié)構(gòu)的永磁式三類。 爪極電機(jī)價格便宜， 性能指標(biāo)不高， 混合式

7、和磁阻式主要作為高分辨率電動機(jī)， 由于混合式步進(jìn)電動機(jī)具有控制功率小， 運(yùn)行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導(dǎo)地位。最典型的產(chǎn)品是二相 8 極 50 齒的電動機(jī)，步距角 1.8 0.9 （全步半步） ； 還有五相 10 極 50 齒和一些轉(zhuǎn)子100 齒的二相和五相步進(jìn)電動機(jī)， 五相 電動機(jī)主要用于運(yùn)行性能較高的場合。 到目前， 工業(yè)發(fā)達(dá)國家的磁阻式步進(jìn)電動機(jī)已極少見。步進(jìn)電動機(jī)最大的生產(chǎn)國是日本， 如日本伺服公司、 東方公司、 SANYO DENKI和 MINEBEA 及 NPM 公司等， 特別是日本東方公司，無論是電動機(jī)性能和外觀質(zhì)量，還是生產(chǎn)手段，都堪稱是世界上最好的。現(xiàn)在日本步進(jìn)電動機(jī)年產(chǎn)量（含國

8、外獨(dú)資公司）近2 億臺。德國也是世界上步進(jìn)電動機(jī)生產(chǎn)大國。德國 B.L. 公司 1994 年五相混合式步進(jìn)電動機(jī)專利期滿后，推出了新的三相混合式步進(jìn)電動機(jī)系列，為定子6 極轉(zhuǎn)子50 齒結(jié)構(gòu)， 配套電流型驅(qū)動器， 每轉(zhuǎn)步數(shù)為 200 、 400 、 1000 、 2000 、 4000 、 10000 和 20000 ，它具有通常的二相和五相步進(jìn)電動機(jī)的分辨率，還可以在此基礎(chǔ)上再 10 細(xì)分，分辨率提高10 倍，這是一種很好的方案，充分運(yùn)用了電流型驅(qū)動技術(shù)的功能，讓三相電動機(jī)同時具有二相和五相電動機(jī)的性能。與此同時， 日本伺服公司也推出了他們的三相混合式步進(jìn)電動機(jī)。 該公司阪正文博士研制了三種不

9、同的永磁式三相步進(jìn)電動機(jī)， 即 HB 型（混合式） 、 RM 性（定子和混合式相似，轉(zhuǎn)子則同永磁式環(huán)形磁鐵相似）和爪極PM 型。將三相步進(jìn)電動機(jī)同二相步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行比較后顯示： 在獲得小步距角方面，三相電動機(jī)比二相電動機(jī)要好。三相電動機(jī)的兩相勵磁最大保持力矩為V3T1 （T1為單相勵磁轉(zhuǎn)矩），而二相電動機(jī)為V2T1 ,所以三相電動機(jī)的合成力矩大。 三相電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動比二相電動機(jī)要小。 三相電動機(jī)連續(xù)2 步用于半步的轉(zhuǎn)矩差比二相電動機(jī)的要小。 三相電動機(jī)繞組可以星形連接，三個終端驅(qū)動，勵磁電路晶體管6 個； 而二相電動機(jī)是8 個。 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時， 由于三相步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)原因， 磁通和電流的三次諧

10、波被消除了，所以三相電動機(jī)的振動力矩比二相電動機(jī)的要小。結(jié)論是顯而易見的。另外的結(jié)論是HB 型電動機(jī)更適合于低速大轉(zhuǎn)矩用途； RM型適用于平穩(wěn)運(yùn)行以及轉(zhuǎn)速大于 1000r/min 的用途；而PM 型成本低，在低轉(zhuǎn)速時的振動和高轉(zhuǎn)速時的大轉(zhuǎn)矩方面， 三相 PM 型電動機(jī)比兩相電動機(jī)的性能要好。因此， 當(dāng)前最有發(fā)展前景的當(dāng)屬混合式步進(jìn)電動機(jī)， 而混合式電動機(jī)又向以下四個方向發(fā)展：發(fā)展趨勢之一， 是繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。 隨著電動機(jī)本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及各類整機(jī)的不斷小型化，要求與之配套的電動機(jī)也必須越來越小，在57 、42 機(jī)座號的電動機(jī)應(yīng)用了多年后，現(xiàn)在其機(jī)座號向 39 、 35 、 30

11、、 25 方向向下延伸。瑞士 ESCAP 公司最近還研制出外徑僅10mm 的步進(jìn)電動機(jī)。發(fā)展趨勢之二， 是改圓形電動機(jī)為方形電動機(jī)。 由于電動機(jī)采用方型結(jié)構(gòu)， 使得轉(zhuǎn)子有可能設(shè)計得比圓形大， 因而其力矩體積比將大為提高。 同樣機(jī)座號的電動機(jī)，方形的力矩比圓形的將提高30 %40 %。發(fā)展趨勢之三， 對電動機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計。 即把轉(zhuǎn)子位置傳感器， 減速齒輪等和電動機(jī)本體綜合設(shè)計在一起， 這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統(tǒng)， 因而具有更加 優(yōu)越的控制性能。發(fā)展趨勢之四， 向五相和三相電動機(jī)方向發(fā)展。 目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動機(jī)， 其振動和噪聲較大， 而五相和三相電動機(jī)具有優(yōu)勢性。 而就這兩種電動機(jī)

12、而言， 五相電動機(jī)的驅(qū)動電路比三相電動機(jī)復(fù)雜， 因此三相電動機(jī)系統(tǒng)的性能價格比要比五相電動機(jī)更好一些。我國的情況有所不同，直到20 世紀(jì)80 年代，一直是磁阻式步進(jìn)電動機(jī)占統(tǒng)治地位，混合式步進(jìn)電動機(jī)是80 年代后期才開始發(fā)展，至今仍然是二種結(jié)構(gòu)類型同時并存。 盡管新的混合式步進(jìn)電動機(jī)完全可能替代磁阻式電動機(jī)， 但磁阻式電動機(jī)的整機(jī)獲得了長期應(yīng)用， 對于它的技術(shù)也較為熟悉， 特別是典型的混合式步進(jìn)電動機(jī)的步距角 (0.9 /1.8 ) 與典型的磁阻式電動機(jī)的步距角 (0.75 /1.5 )不一樣， 用戶改變這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不是很容易的， 這就使得兩種機(jī)型并存的局面難以在較短時間內(nèi)改變。這種現(xiàn)狀對步進(jìn)

13、電動機(jī)的發(fā)展是不利的。步進(jìn)電機(jī)的基本原理步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件， 是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。 隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增， 在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。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)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（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。 可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量， 從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的； 同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，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

14、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， 定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M(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

15、機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。步進(jìn)電機(jī)的一些基本參數(shù)：電機(jī)固有步距角：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號， 電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。 電機(jī)出廠時給出了一個步距角的值，如 86BYG250A 型電機(jī)給出的值為 0.9 /1.8 (表示半步工作時為 0.9 、整步工作時為 1.8 ) ，這個步距角可以稱之為 電機(jī)固有步距角 ，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(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

16、有細(xì)分驅(qū)動器時，用戶主要* 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)動器，則 相數(shù) 將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細(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)動時， 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

17、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)的一些特點(diǎn)：1 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 3-5% ，且不累積。2 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。3 步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時， 電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢； 頻率越高， 反向電動勢越大。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。4 步進(jìn)