產(chǎn)品品牌：瓦凱 產(chǎn)品型號：MT 詳細(xì)說明

步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)原理及術(shù)語

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(dòng)化設(shè)備中。步進(jìn)電機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)不同之處在于它是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它同時(shí)完成兩個(gè)工作：一是傳遞轉(zhuǎn)矩，二是控制轉(zhuǎn)角位置和速度。

電機(jī)工作原理：

圖1

圖1為兩相步進(jìn)電機(jī)的工作原理示意圖，它有2個(gè)繞組。當(dāng)一個(gè)繞組通電后，其定子磁極產(chǎn)生磁場，將轉(zhuǎn)子吸合到此磁極處。若繞組在控制脈沖的作用下，通電方向順序按照四個(gè)狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，電機(jī)可順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。通電時(shí)序?yàn)闀r(shí)，電機(jī)就逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂泼}沖每作用一次，通電方向就變化一次，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即90度。4個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。脈沖頻率越高，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越快，實(shí)際電機(jī)的結(jié)構(gòu)要比模型復(fù)雜，并且每轉(zhuǎn)一步，一般為1-8°。

步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩與電機(jī)的有效體積、線圈匝數(shù)、磁通量、電流成正比，因此，電機(jī)有效體積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之越小。

步進(jìn)電機(jī)術(shù)語：

相數(shù)：是指電機(jī)內(nèi)部繞圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。

步距角：對應(yīng)一個(gè)脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移。一般二相電機(jī)的步距角為1.8度，即電機(jī)運(yùn)動(dòng)200步為一周。

靜力矩:是指步進(jìn)電機(jī)通過額定電流但沒有轉(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)的轉(zhuǎn)矩接近靜力矩。

定位力矩: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。

步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：（誤差/步距角）X100%。步進(jìn)角的誤差不累積。

最大空載起動(dòng)頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。

最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高運(yùn)行頻率。

相電流：電機(jī)繞組所通過的電流。

相電流：電機(jī)繞組所通過的電流。

電機(jī)矩頻特性：電機(jī)在某種測試條件下測得運(yùn)行中輸出力矩與脈沖頻率關(guān)系的曲線稱為電機(jī)矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。如圖2，在低速時(shí)的電機(jī)力矩接近靜力矩，隨著電機(jī)速度的增加，電機(jī)輸出力矩不斷衰減。

圖2

電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的相電流在額定電流和電壓下，相電流越大，電機(jī)輸出力矩在低速時(shí)越大，電壓越高，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)力矩越大。

圖2中，1-3表示電壓或電流的值變大時(shí)，力矩的變化趨勢。另外，請注意，同一電機(jī)的矩頻特性曲線在不同驅(qū)動(dòng)器下的表示是會有差異的，所有選型時(shí)要留有余量。

電機(jī)的共振點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)均有相對固定的共振區(qū)域，2、4相混合式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移。為使電機(jī)輸出力矩大，不失步及使系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。注意：細(xì)分會改變共振區(qū)的位置。

丟步（失步）：控制器給電機(jī)發(fā)了N個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)并沒有轉(zhuǎn)動(dòng)N個(gè)步距角。一般當(dāng)電機(jī)力矩偏小、加速度偏大、速度偏高、摩擦力不均勻等都會使丟步現(xiàn)象發(fā)生。

步進(jìn)電機(jī)的類型：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）等。

永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積小，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，但噪音和振動(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)是指綜合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)。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。目前，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)最常用。

步進(jìn)電機(jī)的極性：步進(jìn)電機(jī)分雙極性電機(jī)和單極性電機(jī)。如圖3（a）所示雙極性電機(jī)，電流在2個(gè)線圈流動(dòng)時(shí)序?yàn)?，而單極性電機(jī)線圈中電流的流動(dòng)方向是固定的，如圖3（b）所示，其通電時(shí)序?yàn)閂A→VC→VB→VD。單極性電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器較雙極性電機(jī)驅(qū)動(dòng)器簡單，但單極性電機(jī)輸出力矩較小。

圖3 步進(jìn)電機(jī)線圈的極性

步進(jìn)電機(jī)線圈的串、并聯(lián)：許多兩相步進(jìn)電機(jī)有8根引線，這種電機(jī)既可以串聯(lián)連接又可以并聯(lián)連接。串聯(lián)連接的電機(jī)，電流較小，低頻力矩較大；并聯(lián)連接的電機(jī)，電感較小，所以啟動(dòng)、停止速度較快，高頻力矩有所增大。（見圖4）

圖4

圖5 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器原理：步進(jìn)電機(jī)必須有驅(qū)動(dòng)器和控制器才能正常工作。驅(qū)動(dòng)器的作用是對控制脈沖進(jìn)行環(huán)形分配、功率放大，使步進(jìn)電機(jī)繞組按一定順序通電。

圖6

以兩相步進(jìn)電機(jī)為例，當(dāng)給驅(qū)動(dòng)器一個(gè)脈沖信號和一個(gè)正方向信號時(shí)，驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過環(huán)形分配器和功率放大后，給電機(jī)繞組通電的順序?yàn)?，其四個(gè)狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；若方向信號變?yōu)樨?fù)時(shí)，通電時(shí)序就變成了 ，電機(jī)就逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，功率放大電路由單電壓電路、高低壓電路發(fā)展到現(xiàn)在的斬波電路。其基本原理是：在電機(jī)繞組回路中，串聯(lián)一個(gè)電流檢測回路，當(dāng)繞組電流降低到某一下限值時(shí)，電流檢測回路發(fā)出信號，控制高壓電源又自動(dòng)斷開。重復(fù)上述過程，使繞組電流的平均值恒定，電流波形的波頂維持在預(yù)訂數(shù)值上，解決了高低壓電路在低頻段工作時(shí)電流下凹的問題，使電機(jī)在低頻段力矩增大。

步進(jìn)電機(jī)一定時(shí)，供給驅(qū)動(dòng)器的電壓值對電機(jī)性能影響較大，電壓越高，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高、加速度越大；在驅(qū)動(dòng)器上一般設(shè)有相電流調(diào)節(jié)開關(guān)，相電流設(shè)的越大，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，力矩越大。

細(xì)分控制原理：

在步進(jìn)電機(jī)步距角不能滿足使用要求時(shí)，可采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的原理是通過改變A、B相電流的大小，以改變合成磁場的夾角，從而可將一個(gè)步距角分成多步。

圖7 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分原理圖

仍以二相步進(jìn)電機(jī)為例，當(dāng)A/B相繞組同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將停在A/B相磁極中間，如圖7。若通電方向順序按照，8個(gè)狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步，為45度，8個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一周。與圖1相比，它的步距角小了一半。

驅(qū)動(dòng)器一般都具有細(xì)分功能，常見的細(xì)分倍數(shù)有：1/2，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64;或1/5，1/10，1/20。

細(xì)分后步進(jìn)電機(jī)步距角按下列方法計(jì)算：步距角=電機(jī)固有步距角/細(xì)分?jǐn)?shù)。

例如：一臺1.8°電機(jī)設(shè)定為4個(gè)細(xì)分，其步距角為1.8°/4=0.45°。

當(dāng)細(xì)分等級大于1/4后，電機(jī)的定位精度并不能提高，只是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)更平穩(wěn)。