步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(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技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。作為電力人對步進電機的也不能僅限于認識而已，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識步進電機。

PART1.

01什么是步進電機

步進電機是一種直接將電脈沖轉(zhuǎn)化為機械運動的機電裝置， 通過控制施加在電機線圈上的電脈沖順序、 頻率和數(shù)量， 可以實現(xiàn)對步進電機的轉(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、 使用步進電機與其配套的驅(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：

步進電機驅(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， 控制步進電機的繞組以一定的時序正向或反向通電， 使得電機正向/反向旋轉(zhuǎn)， 或者鎖定。 以1.8度兩相步進電機為例：當兩相繞組都通電勵磁時， 電機輸出軸將靜止并鎖定位置。在額定電流下使電機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， 則電機將順著與前者相反的方向旋轉(zhuǎn)一步（ 1.8度）。當通過線圈繞組的電流按順序依次變向勵磁時， 則電機會順著既定的方向?qū)崿F(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)步進， 運行精度非常高。對于1.8度兩相步進電機旋轉(zhuǎn)一周需200步。 兩相步進電機有兩種繞組形式：雙極性和單極性。雙極性電機每相上只有一個繞組線圈， 電機連續(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)進行順序切換。

單極性電機每相上有兩個極性相反的繞組線圈， 電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)時只要交替對同一相上的兩個繞組線圈進行通電勵磁。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)動模式下電機的輸出力矩比單極性驅(qū)動模式下提高了約40%。

PART2.

01負載 A. 力矩負載(Tf)

Tf = G * rG：負載重量 r：半徑 B. 慣量負載(TJ)TJ = J * dw/dtJ = M * (R12+R22) / 2 (Kg * cm)M:負載質(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-力矩曲線是步進電機輸出特性的重要表現(xiàn)形式。 ?

A. 工作頻率點

電機在某一點的轉(zhuǎn)速值。

n=q*Hz/(360*D)n: 轉(zhuǎn)/秒 Hz: 頻率值 D: 驅(qū)動電路細分值 q: 步距角 例如：距角1.8°的步進電機，在 1/2 細分驅(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

步進電機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)，電機無法直接啟動或停止。電機在該區(qū)域內(nèi)運行必須先經(jīng)過自啟動區(qū)域，然后經(jīng)過加速達到該工作區(qū)域運行。同理，電機在該區(qū)域內(nèi)也無法直接制動，否則容易造成電機失步，必須先經(jīng)減速到達自啟動區(qū)域內(nèi)再制動。 D. 最高啟動頻率

電機空載狀態(tài)下，保證電機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

滿足步進馬達在一定脈沖頻率下啟動并開始運行， 不失步的最大負載力矩。 G. 運行力矩/牽出力矩

滿足步進馬達在一定脈沖頻率下穩(wěn)定運行，不失步的最大負載力矩。

03加速/減速運動控制 當電機運行頻率點在速度-力矩曲線的連續(xù)運行區(qū)域內(nèi)時，如何縮短電機啟動或停止時的加速或減速時間，使電機更長時間地運行在最佳速度狀態(tài)，從而提高電機的有效運行時間是非常關(guān)鍵的。 如下圖所示，步進電機的動態(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

已知電機負載為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

(1)通常情況下

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

(2)

tr=F4*In[(TJ0-TL)/(TJ1-TL)] (3)F (t) = F2 * [1 – e^(-t/F4)] + F0, 0

04振動與噪音 一般來講， 步進電機在空載運行情況下， 當電機的運行頻率接近或等于電機轉(zhuǎn)子的固有頻率時會發(fā)生共振，嚴重的會發(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)：使電機的工作頻率不落在振動范圍內(nèi)

B. 采用細分的驅(qū)動模式：使用微步驅(qū)動模式， 將原來的一步細分為多步運行， 提高電機的每步分辨率， 從而降低振動。這可以通過調(diào)整電機的相電流比來實現(xiàn)的。微步并不會增加步距角精確度， 卻能使電機運行更加平穩(wěn)， 噪音更小。一般電機在半步運行時， 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

02接線圖

03一般規(guī)格

04轉(zhuǎn)軸負載條件(單位：N)

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原文標題：電機講解丨步進電機

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