什么是步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理

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，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。作為電力人對步進(jìn)電機(jī)的也不能僅限于認(rèn)識而已，應(yīng)該深入了解它的結(jié)構(gòu)、基本原理以及應(yīng)用，接下來將從三個方面帶大家全面認(rèn)識步進(jìn)電機(jī)。

PART1. ? ? ?

01 ? 什么是步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種直接將電脈沖轉(zhuǎn)化為機(jī)械運動的機(jī)電裝置， 通過控制施加在電機(jī)線圈上的電脈沖順序、 頻率和數(shù)量， 可以實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、 速度和旋轉(zhuǎn)角度的控制。在不借助帶位置感應(yīng)的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的情況下、 使用步進(jìn)電機(jī)與其配套的驅(qū)動器共同組成的控制簡便、 低成本的開環(huán)控制系統(tǒng)， 就可以實現(xiàn)精確的位置和速度控制。

02 ? 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

基本結(jié)構(gòu)：

? 工作原理： 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器根據(jù)外來的控制脈沖和方向信號， 通過其內(nèi)部的邏輯電路， 控制步進(jìn)電機(jī)的繞組以一定的時序正向或反向通電， 使得電機(jī)正向/反向旋轉(zhuǎn)， 或者鎖定。 ? 以1.8度兩相步進(jìn)電機(jī)為例：當(dāng)兩相繞組都通電勵磁時， 電機(jī)輸出軸將靜止并鎖定位置。在額定電流下使電機(jī)保持鎖定的最大力矩為保持力矩。如果其中一相繞組的電流發(fā)生了變向， 則電機(jī)將順著一個既定方向旋轉(zhuǎn)一步（ 1.8度）。

同理， 如果是另外一項繞組的電流發(fā)生了變向， 則電機(jī)將順著與前者相反的方向旋轉(zhuǎn)一步（ 1.8度）。當(dāng)通過線圈繞組的電流按順序依次變向勵磁時， 則電機(jī)會順著既定的方向?qū)崿F(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)， 運行精度非常高。對于1.8度兩相步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周需200步。 ? 兩相步進(jìn)電機(jī)有兩種繞組形式：雙極性和單極性。雙極性電機(jī)每相上只有一個繞組線圈， 電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)時電流要在同一線圈內(nèi)依次變向勵磁， 驅(qū)動電路設(shè)計上需要八個電子開關(guān)進(jìn)行順序切換。

單極性電機(jī)每相上有兩個極性相反的繞組線圈， 電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)時只要交替對同一相上的兩個繞組線圈進(jìn)行通電勵磁。驅(qū)動電路設(shè)計上只需要四個電子開關(guān)。在雙極性驅(qū)動模式下， 因為每相的繞組線圈為100%勵磁， 所以雙極性驅(qū)動模式下電機(jī)的輸出力矩比單極性驅(qū)動模式下提高了約40%。

PART2. ? ? ?

01 ? 負(fù)載 ? ? A. ?力矩負(fù)載?(Tf)

Tf = G * r

G：?負(fù)載重量 r：?半徑 ? B. ?慣量負(fù)載?(TJ)

TJ = J * dw/dtJ = M * (R12+R22) / 2 (Kg * cm)

M:?負(fù)載質(zhì)量 R1:?外圈半徑 R2:?內(nèi)圈半徑 dω/dt:?角加速度 ? ? ? ? ? 02 ? 速度-力矩曲線 ? ? 速度-力矩曲線是步進(jìn)電機(jī)輸出特性的重要表現(xiàn)形式。

? A. ?工作頻率點 電機(jī)在某一點的轉(zhuǎn)速值。

n?=?q?*?Hz?/?(360?*?D)

n: 轉(zhuǎn)/秒 Hz: 頻率值 D: 驅(qū)動電路細(xì)分值 q: 步距角 ? 例如：?距角1.8°的步進(jìn)電機(jī)，?在 1/2 細(xì)分驅(qū)動方式下(即每步?0.9°)?，?工作頻率 500Hz 時的轉(zhuǎn)速為1.25r/s. ? B. ?自啟動區(qū)域 步進(jìn)電機(jī)可以直接啟動和停止的區(qū)域。 ? C. ?連續(xù)運行區(qū)域 在該區(qū)域內(nèi)，?電機(jī)無法直接啟動或停止。?電機(jī)在該區(qū)域內(nèi)運行必須先經(jīng)過自啟動區(qū)域，?然后經(jīng)過加速達(dá)到該工作區(qū)域運行。?同理，?電機(jī)在該區(qū)域內(nèi)也無法直接制動，?否則容易造成電機(jī)失步，?必須先經(jīng)減速到達(dá)自啟動區(qū)域內(nèi)再制動。 ? D. ?最高啟動頻率 電機(jī)空載狀態(tài)下，?保證電機(jī)不丟步運行的最大脈沖頻率。 ? E. ?最高運行頻率 空載情況下，?已勵磁電機(jī)運行而不丟步的最高脈沖頻率。 ? F. ??啟動力矩/牽入力矩 滿足步進(jìn)馬達(dá)在一定脈沖頻率下啟動并開始運行， 不失步的最大負(fù)載力矩。 ? G. ?運行力矩/牽出力矩 滿足步進(jìn)馬達(dá)在一定脈沖頻率下穩(wěn)定運行，?不失步的最大負(fù)載力矩。

03 ? 加速/減速運動控制 ? 當(dāng)電機(jī)運行頻率點在速度-力矩曲線的連續(xù)運行區(qū)域內(nèi)時，?如何縮短電機(jī)啟動或停止時的加速或減速時間，?使電機(jī)更長時間地運行在最佳速度狀態(tài)，?從而提高電機(jī)的有效運行時間是非常關(guān)鍵的。 ? 如下圖所示，?步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)力矩特性曲線，?低速運行時曲線為水平直線狀態(tài)；?高速運行時，?由于受到電感的影響，?曲線發(fā)生了指數(shù)下降。 ? A.?低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的直線加速運行 已知電機(jī)負(fù)載為TL，?假設(shè)想從F0?在最短時間?(t r)內(nèi)加速到F1，?如何來計算最短時間?t r ???

(1)?通常情況下?TJ?=?70%Tm(2)?tr?=?1.8?*?10?-5?*?J?*?q?*?(F1-F0)/(TJ?-TL)(3)?F?(t)?=?(F1-F0)?*?t/tr?+?F0,?0 ? B.?高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的指數(shù)加速運行 (1)?通常情況下

TJ0?=?70%Tm0TJ1?=?70%Tm1TL?=?60%Tm1

(2)

tr?=?F4?*?In?[(TJ?0-TL)/(TJ?1-TL)]

? (3)

F (t) = F2 * [1 – e^(-t/F4)] + F0, 0
備注： J 表示電機(jī)轉(zhuǎn)子加負(fù)載時的轉(zhuǎn)動慣量。 q 表示每一步的轉(zhuǎn)動角度，?在整部驅(qū)動時就是指電機(jī)的步距角。 在減速運行時，?只需將上述的加速脈沖頻率反轉(zhuǎn)過來計算就可以了。

	04 ? 振動與噪音 ? 一般來講， 步進(jìn)電機(jī)在空載運行情況下， 當(dāng)電機(jī)的運行頻率接近或等于電機(jī)轉(zhuǎn)子的固有頻率時會發(fā)生共振，嚴(yán)重的會發(fā)生失步現(xiàn)象。

	針對共振的幾種解決方案: A. 避開振動區(qū)：使電機(jī)的工作頻率不落在振動范圍內(nèi)

	B. 采用細(xì)分的驅(qū)動模式：使用微步驅(qū)動模式， 將原來的一步細(xì)分為多步運行， 提高電機(jī)的每步分辨率， 從而降低振動。這可以通過調(diào)整電機(jī)的相電流比來實現(xiàn)的。微步并不會增加步距角精確度， 卻能使電機(jī)運行更加平穩(wěn)， 噪音更小。一般電機(jī)在半步運行時， 力矩會比整步時小15%， 而采用正弦波電流控制時， 力矩將減小30%。

	PART3. ? ? ?

	01 命名規(guī)則

				AM
			

				17
			

				HD
			

				0
			

				0
			

				01
			

				-
			

				01
		

				1
			

				2
			

				3
			

				4
			

				5
			

				6
			

				?
			

				7
		

				1
			

				產(chǎn)業(yè)機(jī)器專用系列
			

				?
		

				2
			

				機(jī)座號
			

				電機(jī)外形尺寸 ( 機(jī)座尺寸為英制尺寸的 10 倍 )(6:14mm; 8:20 mm; 11:28mm; 14:35mm; 17:42mm; 23:56mm; 24:60mm;34:86mm; 42:110mm)
		

				3
			

				步距角代號
			

				HY, HS, HD: 步距角 1.8°
		

				4
			

				鐵芯長度代號
			

				?
		

				5
			

				引線數(shù)量
			

				0: 表示插座式電機(jī)4: 引出線 4 根8: 引出線 8 根
		

				6
			

				性能代號
			

				表示電機(jī)的電流，力矩等性能參數(shù)
		

				7
			

				機(jī)械代號
			

				表示電機(jī)的出軸、引線、螺釘、剎車器及編碼器等機(jī)械參數(shù)-E1000D 編碼器型、 -PGXX 減速機(jī)型、 -BR01 永磁式制動器型
		

	02 接線圖

	

	03 一般規(guī)格

				規(guī)格
			

				電機(jī)部分
		

				步距角精度
			

				±5% ( 測試條件：恒流驅(qū)動器 /24V/ 兩相通電 / 額定電流 / 整步速度：1rps)
		

				絕緣等級
			

				B 級 (130°C)
		

				使用環(huán)境（運行時）
			

				環(huán)境溫度
			

				-20 ～ +50°C ( 無結(jié)冰 )
		

				環(huán)境濕度
			

				85% 以下 ( 無結(jié)露 )
		

				介質(zhì)環(huán)境
			

				無腐蝕性氣體及塵埃。不直接接觸水、 油等（標(biāo)準(zhǔn)型保護(hù)等級 IP65 規(guī)格：無腐蝕性氣體。不直接接觸油。）
		

				溫度上升
			

				溫升小于 80°C ( 溫升是指在一定環(huán)境溫度條件下， 線圈溫度增加的最大值。繞組溫度的測試采用電阻法。在恒壓驅(qū)動模式下，驅(qū)動電壓為額定電壓， 兩相通電， 轉(zhuǎn)速為 0pps。在恒流驅(qū)動模式下， 驅(qū)動電流為額定電流， 兩相通電， 轉(zhuǎn)速為空載起動頻率。散熱板：鋁板 160×160×t1.6(mm))
		

				徑向跳動
			

				0.050T.I.R.(mm)
		

				徑向竄動
			

				0.02mm Max.(500gf)
		

				軸向竄動
			

				0.08mm Max.(500gf)
		

				安裝法蘭相對于轉(zhuǎn)軸的同軸度
			

				0.075T.I.R.(mm)
		

				安裝面相對于轉(zhuǎn)軸的垂直度
			

				0.100T.I.R.(mm)
		

	04 轉(zhuǎn)軸負(fù)載條件(單位：N)

				機(jī)座型號
			

				允許徑向負(fù)載(距軸端的距離 L)
			

				允許軸向負(fù)載
		

				0mm
			

				5mm
			

				10mm
			

				15mm
			

				20mm
		

				6HY
			

				12
			

				15
			

				20
			

				---
			

				---
			

				電機(jī)本身重量以下
		

				8HY
			

				12
			

				15
			

				20
			

				---
			

				---
			

				?
		

				11HS
			

				20
			

				25
			

				34
			

				52
			

				---
			

				?
		

				14HS
			

				20
			

				25
			

				34
			

				52
			

				---
			

				?
		

				17HD
			

				20
			

				25
			

				34
			

				52
			

				---
			

				?
		

				23HS
			

				50
			

				60
			

				75
			

				100
			

				150
			

				?
		

				24HS
			

				61
			

				73
			

				90
			

				110
			

				160
			

				?
		

				34HD
			

				260
			

				290
			

				340
			

				390
			

				480
			

				?
		

				42HS
			

				390
			

				435
			

				510
			

				585
			

				720
			

				?
		

	編輯：黃飛

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