步進電動機概念及其工作原理

1、步進電動機概念及其工作原理步進電動機是一種將脈沖信號變換成相應的角位移 （ 或線位移 ） 的電磁裝置， 是一種特殊的電動機。 一般電動機都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的， 而步進電動機則有定位和運轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)， 當有脈沖輸入肘步進電動機一步一步地轉(zhuǎn)動， 每給它一個脈沖信號，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。 步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比， 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)。 步進電動機按其輸出轉(zhuǎn)矩的大小來分， 可以分為快速步進電動機和功率步進電

2、動機。 快速步進電動機連續(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床的工作臺 （ 例線切割機床） 也可以和液壓轉(zhuǎn)矩放大器組成電液脈沖馬達去驅(qū)動數(shù)控機床的工作臺，而功率步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩就比較大是N m級的，可以直接去驅(qū)動機床的移動部件。 步進電動機按其勵磁相數(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，每相導通電流的時間增加， 各相平均電流會高些， 從而使電動機的轉(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，電動機的尺寸就增加，結(jié)構(gòu)亦復雜，目前多用36相的步進電動機。由于步進電動機的轉(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電動機按其工作原理來分，主要機床上，提高進給機構(gòu)的自動化水平。有磁電式和反應式兩大類， 這里只介紹常用的反應式步進電動機的工作原理， 現(xiàn)用下圖的步進電動機的簡化圖來加以說明。在電動機定子上有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，這種步進電動機稱之為三相步進電動機。如果在線圈中通以直流電，就會產(chǎn)生磁場，當 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

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

6、功能的電動機系統(tǒng)， 其中較有自己特點， 且應用十分廣泛的一類便是步進電動機。步進電動機的發(fā)展與計算機工業(yè)密切相關。 自從步進電動機在計算機外圍設備中取代小型直流電動機以后， 使其設備的性能提高， 很快地促進了步進電動機的發(fā)展。 另一方面， 微型計算機和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展， 又將作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進電動機推廣應用到其他領域， 如電加工機床、 小功率機械加工機床、 測量儀器、光學和醫(yī)療儀器以及包裝機械等。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，步進電動機的發(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。 爪極電機價格便宜， 性能指標不高， 混合式

7、和磁阻式主要作為高分辨率電動機， 由于混合式步進電動機具有控制功率小， 運行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導地位。最典型的產(chǎn)品是二相 8 極 50 齒的電動機，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電動機， 五相 電動機主要用于運行性能較高的場合。 到目前， 工業(yè)發(fā)達國家的磁阻式步進電動機已極少見。步進電動機最大的生產(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?，F(xiàn)在日本步進電動機年產(chǎn)量（含國

8、外獨資公司）近2 億臺。德國也是世界上步進電動機生產(chǎn)大國。德國 B.L. 公司 1994 年五相混合式步進電動機專利期滿后，推出了新的三相混合式步進電動機系列，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電動機的分辨率，還可以在此基礎上再 10 細分，分辨率提高10 倍，這是一種很好的方案，充分運用了電流型驅(qū)動技術(shù)的功能，讓三相電動機同時具有二相和五相電動機的性能。與此同時， 日本伺服公司也推出了他們的三相混合式步進電動機。 該公司阪正文博士研制了三種不

9、同的永磁式三相步進電動機， 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。將三相步進電動機同二相步進電動機進行比較后顯示： 在獲得小步距角方面，三相電動機比二相電動機要好。三相電動機的兩相勵磁最大保持力矩為V3T1 （T1為單相勵磁轉(zhuǎn)矩），而二相電動機為V2T1 ,所以三相電動機的合成力矩大。 三相電動機的轉(zhuǎn)矩波動比二相電動機要小。 三相電動機連續(xù)2 步用于半步的轉(zhuǎn)矩差比二相電動機的要小。 三相電動機繞組可以星形連接，三個終端驅(qū)動，勵磁電路晶體管6 個； 而二相電動機是8 個。 連續(xù)運轉(zhuǎn)時， 由于三相步進電動機結(jié)構(gòu)原因， 磁通和電流的三次諧

10、波被消除了，所以三相電動機的振動力矩比二相電動機的要小。結(jié)論是顯而易見的。另外的結(jié)論是HB 型電動機更適合于低速大轉(zhuǎn)矩用途； RM型適用于平穩(wěn)運行以及轉(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 型電動機比兩相電動機的性能要好。因此， 當前最有發(fā)展前景的當屬混合式步進電動機， 而混合式電動機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。 隨著電動機本身應用領域的拓寬以及各類整機的不斷小型化，要求與之配套的電動機也必須越來越小，在57 、42 機座號的電動機應用了多年后，現(xiàn)在其機座號向 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 的步進電動機。發(fā)展趨勢之二， 是改圓形電動機為方形電動機。 由于電動機采用方型結(jié)構(gòu)， 使得轉(zhuǎn)子有可能設計得比圓形大， 因而其力矩體積比將大為提高。 同樣機座號的電動機，方形的力矩比圓形的將提高30 %40 %。發(fā)展趨勢之三， 對電動機進行綜合設計。 即把轉(zhuǎn)子位置傳感器， 減速齒輪等和電動機本體綜合設計在一起， 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方向發(fā)展。 目前廣泛應用的二相和四相電動機， 其振動和噪聲較大， 而五相和三相電動機具有優(yōu)勢性。 而就這兩種電動機

12、而言， 五相電動機的驅(qū)動電路比三相電動機復雜， 因此三相電動機系統(tǒng)的性能價格比要比五相電動機更好一些。我國的情況有所不同，直到20 世紀80 年代，一直是磁阻式步進電動機占統(tǒng)治地位，混合式步進電動機是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電動機完全可能替代磁阻式電動機， 但磁阻式電動機的整機獲得了長期應用， 對于它的技術(shù)也較為熟悉， 特別是典型的混合式步進電動機的步距角 (0.9 /1.8 ) 與典型的磁阻式電動機的步距角 (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

13、電動機的發(fā)展是不利的。步進電機的基本原理步進電機作為執(zhí)行元件， 是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。 隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展， 步進電機的需求量與日俱增， 在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。 當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(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行的。 可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量， 從而達到準確定位的目的； 同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤

14、差 （ 精度為 100%） 的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制?，F(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（ VR） 、永磁式步進電機（ PM ） 、 混合式步進電機（ HB ）和單相式步進電機等。永磁式步進電機一般為兩相， 轉(zhuǎn)矩和體積較小， 步進角一般為 7.5 度 或 15 度；反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為 1.5 度，但噪聲和振動都很大。 反應式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成， 定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。 它又分為兩相和五相： 兩相步進角一般為 1.8 度而五相步進角一般為 0.72 度，這種步進電

15、機的應用最為廣泛。步進電機的一些基本參數(shù)：電機固有步距角：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號， 電機所轉(zhuǎn)動的角度。 電機出廠時給出了一個步距角的值，如 86BYG250A 型電機給出的值為 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 電機固有步距角 ，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關。步進電機的相數(shù)：是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同， 其步距角也不同， 一般二相電機的步距角為 0.9 /1.8 、 三相的為0.75 /1.5 、五相的為0.36 /0.72 。在沒

16、有細分驅(qū)動器時，用戶主要* 選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，則 相數(shù) 將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。保持轉(zhuǎn)矩( HOLDING TORQUE ) ：是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時， 定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。 它是步進電機最重要的參數(shù)之一， 通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機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電機最重要的參數(shù)之一。比如，當人們說2N.m 的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為 2N.m 的步進電機。DETENT TORQUE ：是

17、指步進電機沒有通電的情況下， 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； 由于反應式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE 。步進電機的一些特點：1 一般步進電機的精度為步進角的 3-5% ，且不累積。2 步進電機外表允許的最高溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步， 因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點； 一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達攝氏200 度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90 度完全正常。3 步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當步進電機轉(zhuǎn)動時， 電機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，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從 而導致力矩下降。4 步進