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詳解步進(jìn)電機(jī)工作原理
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(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)加一個脈沖信號,，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角,。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累積誤差等特點,。使得在速度,、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。
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,、功率驅(qū)動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),、電子及計算機(jī)等許多專業(yè)知識。
目前,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，連基本的設(shè)備都沒有,。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,。簽于上述情況,，我們決定以廣泛的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)為例。敘述其基本工作原理,。望能對廣大用戶在選型,、使用、及整機(jī)改進(jìn)時有所幫助,。
感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)
感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)工作原理
（一）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡單,。下面先敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電
原理圖
1、結(jié)構(gòu)： 電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒,，定子齒有三個勵磁繞阻,，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。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相對齊，B與齒2向右錯開1/3て,，C與齒3向右錯開2/3て,，A‘與齒5相對齊，（A‘就是A,，齒5就是齒1）
2,、旋轉(zhuǎn)： 如A相通電，B,，C相不通電時,，由于磁場作用，齒1與A對齊,，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）,。 如B相通電，A,，C相不通電時,，齒2應(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3て,，此時齒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對齊,，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て,，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。 如A相通電,，B,，C相不通電，齒4與A對齊,，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て 這樣經(jīng)過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)過一個齒距,，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：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定,。 不過,，出于對力矩、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)，這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/6て,。甚至于通過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)動的基本理論依據(jù),。 不難推出：電機(jī)定子上有m相勵磁繞阻，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——這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理條件,。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（磁通量Ф）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力F與（dФ/dθ）成正比其磁通量Ф=Br*S Br為磁密,，S為導(dǎo)磁面積 F與L*D*Br成正比 L為鐵芯有效長度，D為轉(zhuǎn)子直徑 Br=N·I/RN·I為勵磁繞阻安匝數(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）感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)
1,、特點： 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)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,，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能,，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,，其自身阻尼作用比較好,，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低,、低頻振動小,。 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。
一個四相電機(jī)可以作四相運行,，也可以作二相運行,。（必須采用雙極電壓驅(qū)動），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此,。例如：四相,，八相運行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）*可以采用二相八拍運行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為C= ,D= . 一個二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)*一致，小功率電機(jī)一般直接接為二相,，而功率大一點的電機(jī),，為了方便使用，靈活改變電機(jī)的動態(tài)特點,，往往將其外部接線為八根引線（四相）,，這樣使用時，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)子式步進(jìn)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（電機(jī)外徑）可分為：42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號）,、57BYG、86BYG,、110BYG,、（標(biāo)準(zhǔn)），而像70BYG,、90BYG,、130BYG等均為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn),。
3、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N,、S磁場的激磁線圈對數(shù),。常用m表示。拍數(shù)：完成一個磁場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)過一個齒距角所需脈沖數(shù),，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB,，四相八拍運行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：對應(yīng)一個脈沖信號,，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)）,，以常規(guī)二、四相,，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例,。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為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)運動時,，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)動電壓及驅(qū)動電源等無關(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)，但過份采用減小氣隙,，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的,，這樣會造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。
4,、步進(jìn)電機(jī)動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語：
(1) 步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差,。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同,，四拍運行時應(yīng)在5%之內(nèi),，八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi)。
(2)失步：電機(jī)運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù),，不等于理論上的步數(shù),。稱之為失步。
(3)失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度,，電機(jī)運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角,，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差,，采用細(xì)分驅(qū)動是不能解決的。
(4)大空載起動頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動形式,、電壓及額定電流下,，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動的大頻率,。
(5)大空載的運行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動形式,，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的高轉(zhuǎn)速頻率,。
(6)運行矩頻特性：電機(jī)在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性,，這是電機(jī)諸多動態(tài)曲線中重要的，也是電機(jī)選擇的根本,。
其它特性還有慣頻特性,、起動頻率特性等。 電機(jī)一旦選定,，電機(jī)的靜力矩確定,，而動態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動態(tài)力矩取決于電機(jī)運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流）,，平均電流越大,，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬,。