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(gè)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(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，在時(shí)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(shí)，在繞組電源的激勵(lì)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)電動機(jī)?？焖俨竭M(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(lì)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(shí)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3～6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)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機(jī)床上，提高進(jìn)給機(jī)構(gòu)的自動化水平。?步進(jìn)電動機(jī)按其工作原理來分，主要有磁電式和反應(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(gè)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(gè)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(shí)轉(zhuǎn)子逆時(shí)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(shí)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(gè)齒吸住。定子各相輪流通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒。這樣按A→B→C→A→B→C→A→…次序輪流通電，步進(jìn)電動機(jī)就一步一步地按逆時(shí)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→B→…的順序，則步進(jìn)電動機(jī)將按順時(shí)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(shí)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?？墒窃谌祟惿鐣M(jìn)入自動化時(shí)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(jì)算機(jī)工業(yè)密切相關(guān)。自從步進(jìn)電動機(jī)在計(jì)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(jì)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?，F(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(jià)格便宜，性能指標(biāo)不高，混合式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、SANYODENKI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?，F(xiàn)在日本步進(jìn)電動機(jī)年產(chǎn)量（含國外獨(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(shí)具有二相和五相電動機(jī)的性能。

與此同時(shí)，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：

⑴在獲得小步距角方面，三相電動機(jī)比二相電動機(jī)要好。

⑵三相電動機(jī)的兩相勵(lì)磁最大保持力矩為√3T1（T1為單相勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩），而二相電動機(jī)為√2T1，所以三相電動機(jī)的合成力矩大。

⑶三相電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動比二相電動機(jī)要小。

⑷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。

⑸三相電動機(jī)繞組可以星形連接，三個(gè)終端驅(qū)動，勵(lì)磁電路晶體管6個(gè)；而二相電動機(jī)是8個(gè)。

⑹連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)的振動和高轉(zhuǎn)速時(shí)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(gè)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、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(jì)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(jì)。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(jì)在一起，這樣使其能方便地組成一個(gè)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)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(jià)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(shí)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(shí)間內(nèi)改變。這種現(xiàn)狀對步進(jìn)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(jì)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(gè)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(gè)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(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。

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(gè)步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。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)動器時(shí)，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（HOLDINGTORQUE）：

是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動時(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)。

DETENTTORQUE：

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。DETENTTORQUE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DETENTTORQUE。

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(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)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)電機(jī)