步進(jìn)電機(jī)的工作原理

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。

雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。

如今，生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒(méi)有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。鑒于上述情況，下面決定以廣泛的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)為例，敘述其基本工作原理，望能對(duì)廣大用戶在選型、使用、及整機(jī)改進(jìn)時(shí)有所幫助。

一、折疊反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡(jiǎn)單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理。

1、結(jié)構(gòu)：電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。 0、1/3て、2/3て，(相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示)，即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/3て，C與齒3向右錯(cuò)開2/3て，A'與齒5相對(duì)齊，(A'就是A，齒5就是齒1)下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖:

2、旋轉(zhuǎn)：如A相通電，B，C相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒1與A對(duì)齊，(轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同)。 如B相通電，A，C相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過(guò)1/3て，此時(shí)齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移(て-1/3て)=2/3て。 如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3て，此時(shí)齒4與A偏移為1/3て對(duì)齊。 如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3て 這樣經(jīng)過(guò)A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4(即齒1前一齒)移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機(jī)就每步(每脈沖)1/3て，向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 由此可見(jiàn):電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)(脈沖數(shù))和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過(guò)，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過(guò)二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。 不難推出:電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m，2/m……(m-1)/m，1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制--這是旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。

3、力矩：電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)(磁通量Ф)當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開一定角度產(chǎn)生力 F與(dФ/dθ)成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積 F與L*D*Br成正比 L為鐵芯有效長(zhǎng)度，D為轉(zhuǎn)子直徑 Br=N·I/R N·I為勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)(電流乘匝數(shù))R為磁阻。 力矩=力*半徑 力矩與電機(jī)有效體積*安匝數(shù)*磁密 成正比(只考慮線性狀態(tài)) ，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，反之亦然。

二、折疊感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)

1、特點(diǎn)：感應(yīng)子式與傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。 感應(yīng)子式某種程度上可以看作是低速同步的電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行。(必須采用雙極電壓驅(qū)動(dòng))，而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。例如:四相，八相運(yùn)行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為C=，D=. 一個(gè)二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致，小功率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一點(diǎn)的電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線為八根引線(四相)，這樣使用時(shí)，既可以作四相電機(jī)使用，可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。

2、分類：感應(yīng)子式電機(jī)以相數(shù)可分為:二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)等。以機(jī)座號(hào)(電機(jī)外徑)可分為:42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號(hào))、57BYG、86BYG、110BYG、(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn))，而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。

3、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ)相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。 拍數(shù):完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角:對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用θ表示。θ=360度(轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運(yùn)行拍數(shù))，以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/(50*4)=1.8度(俗稱整步)，八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/(50*8)=0.9度(俗稱半步)。

定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩(由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的) 靜轉(zhuǎn)矩:電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積(幾何尺寸)的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過(guò)分采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。

步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)的區(qū)別

步進(jìn)系統(tǒng)AC/DC伺服系統(tǒng)低價(jià)位價(jià)格較高無(wú)時(shí)間誤差在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) ， 理想路徑與實(shí)際路徑會(huì)有差別.瞬間轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)無(wú)2倍扭矩 ， 但為該電機(jī)最大額定扭力瞬間轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有 2倍以上的扭矩， 可克服機(jī)械起動(dòng)時(shí)的摩擦力接線簡(jiǎn)單接線較為復(fù)雜開回路控制 ， 會(huì)有失步問(wèn)題閉回路控制 ， 有編碼器反饋 ， 較不會(huì)有失步問(wèn)題低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)有噪音及震動(dòng) ， 且會(huì)有共振區(qū)的問(wèn)題轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不會(huì)有噪音及震動(dòng)靜止時(shí)為完全靜止?fàn)顟B(tài)，靜止時(shí) ， 會(huì)有 +/- 幾個(gè)計(jì)算的誤差電機(jī)轉(zhuǎn)速越高 ， 扭矩會(huì)越小在額定轉(zhuǎn)速內(nèi) ， 扭矩皆為額定扭矩.連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) ， 電機(jī)會(huì)有溫升連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) ， 電機(jī)溫升很小低速時(shí)的扭矩比同等級(jí)的伺服電機(jī)為大低速與高速時(shí)的扭矩相同不會(huì)有 OverShot 現(xiàn)象轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)有 Overshot 現(xiàn)象在干擾的環(huán)境下，較會(huì)有不準(zhǔn)的問(wèn)題在干擾的環(huán)境下 ， 脈沖式伺服(半閉反饋回路)還是會(huì)有不準(zhǔn)的問(wèn)題 ， 但電壓命令伺服(全閉反饋回路)較不會(huì)又不準(zhǔn)的問(wèn)題。