步進(jìn)電機(jī)解析，步進(jìn)電機(jī)的類型分類及步進(jìn)電機(jī)的制動(dòng)原理

　　步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，基于最基本的電磁鐵原理，它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，其動(dòng)作原理是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來(lái)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。其原始模型是起源于年至年間。年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氫弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)中。這被認(rèn)為是最初的步進(jìn)電機(jī)。二十世紀(jì)初，在電話自動(dòng)交換機(jī)中廣泛使用了步進(jìn)電機(jī)。由于西方資本主義列強(qiáng)爭(zhēng)奪殖民地，步進(jìn)電機(jī)在缺乏交流電源的船舶和飛機(jī)等獨(dú)立系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。二十世紀(jì)五十年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易。到了八十年代后，由于廉價(jià)的微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)的控制方式更加靈活多樣。

　　步進(jìn)電機(jī)相對(duì)于其它控制用途電機(jī)的最大區(qū)別是，它接收數(shù)字控制信號(hào)電脈沖信號(hào)并轉(zhuǎn)化成與之相對(duì)應(yīng)的角位移或直線位移，它本身就是一個(gè)完成數(shù)字模式轉(zhuǎn)化的執(zhí)行元件。而且它可開環(huán)位置控制，輸入一個(gè)脈沖信號(hào)就得到一個(gè)規(guī)定的位置增量，這樣的所謂增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流控制系統(tǒng)相比，其成本明顯減低，幾乎不必進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整。步進(jìn)電機(jī)的角位移量與輸入的脈沖個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，而且在時(shí)間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數(shù)量、頻率和電機(jī)繞組的相序，即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、速度和方向。

　　我國(guó)的步進(jìn)電機(jī)在二十世紀(jì)七十年代初開始起步，七十年代中期至八十年代中期為成品發(fā)展階段，新品種和高性能電機(jī)不斷開發(fā)，目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是永磁材料、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使步進(jìn)電機(jī)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

　　步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)及發(fā)展概況

　　作為一種控制用的特種電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)無(wú)法直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅(qū)動(dòng)電源步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。在微電子技術(shù)，特別計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展以前，控制器脈沖信號(hào)發(fā)生器完全由硬件實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)采用單獨(dú)的元件或者集成電路組成控制回路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計(jì)電路。這就使得需要針對(duì)不同的電機(jī)開發(fā)不同的驅(qū)動(dòng)器，開發(fā)難度和開發(fā)成本都很高，控制難度較大，限制了步進(jìn)電機(jī)的推廣。

　　由于步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)把電脈沖轉(zhuǎn)換成離散的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，具有很好的數(shù)據(jù)控制特性，因此，計(jì)算機(jī)成為步進(jìn)電機(jī)的理想驅(qū)動(dòng)源，隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，軟硬件結(jié)合的控制方式成為了主流，即通過(guò)程序產(chǎn)生控制脈沖，驅(qū)動(dòng)硬件電路。單片機(jī)通過(guò)軟件來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，更好地挖掘出了電機(jī)的潛力。因此，用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì)，也符合數(shù)字化的時(shí)代趨。

　　步進(jìn)電機(jī)的類型

　　步進(jìn)電機(jī)從其結(jié)構(gòu)形式上可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（Variable Reluctance，VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)Permanent Magnet，PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（Hybrid Stepping，HS）、單相步進(jìn)電機(jī)、平面步進(jìn)電機(jī)等多種類型，在我國(guó)所采用的步進(jìn)電機(jī)中以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為主。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能與控制方式有密切的關(guān)系，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)從其控制方式來(lái)看，可以分為以下三類：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中一般歸類于開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)中。［1］

　　反應(yīng)式：定子上有繞組、轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、步距角小，可達(dá)1.2°、但動(dòng)態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大，可靠性難保證。

　　永磁式：永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機(jī)精度差，步矩角大（一般為7.5°或15°）。

　　混合式：混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，其定子上有多相繞組、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個(gè)小齒以提高步矩精度。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對(duì)較高。

　　按定子上繞組來(lái)分，共有二相、三相和五相等系列。最受歡迎的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，約占97%以上的市場(chǎng)份額，其原因是性價(jià)比高，配上細(xì)分驅(qū)動(dòng)器后效果良好。該種電機(jī)的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅(qū)動(dòng)器后，步距角減少為0.9°，配上細(xì)分驅(qū)動(dòng)器后其步距角可細(xì)分達(dá)256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，實(shí)際控制精度略低。同一步進(jìn)電機(jī)可配不同細(xì)分的驅(qū)動(dòng)器以改變精度和效果。

　　步進(jìn)電機(jī)：一種將電脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移或直線位移的機(jī)電執(zhí)行元件。

　　數(shù)控裝置輸出的進(jìn)給脈沖數(shù)量、頻率和方向經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)控制電路達(dá)到步進(jìn)電機(jī)后，可以轉(zhuǎn)換為工作臺(tái)的位移量、進(jìn)給速度和進(jìn)給方向。

　　步進(jìn)電機(jī)的制動(dòng)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。

　　1、步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造（以5相步進(jìn)為例）

　　步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造主要采用圖示的方式進(jìn)行講解：

　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造上大致分為定子與轉(zhuǎn)子兩部分。 轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子 1、轉(zhuǎn)子 2、永久磁鋼等 3 部分構(gòu)成。而且轉(zhuǎn)子朝軸方向已經(jīng)磁化，轉(zhuǎn)子 1 為 N 極時(shí)，轉(zhuǎn)子 2 則為 S 極。

　　定子擁有小齒狀的磁極，共有 10個(gè)，皆繞有線圈。 其線圈的對(duì)角位置的磁極相互連接著，電流流通后，線圈即會(huì)被磁 化成同一極性。（例如某一線圈經(jīng)由電流的流通后，對(duì)角線的磁極將 同化成 S 極或 N 極。） 對(duì)角線的 2個(gè)磁極形成 1個(gè)相，而由于有 A相至 E相等 5個(gè)相位，因此稱為 5 相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

　　系統(tǒng)構(gòu)成圖示

　　轉(zhuǎn)子的外圈由 50個(gè)小齒構(gòu)成，轉(zhuǎn)子 1 和轉(zhuǎn)子 2 的小齒于構(gòu)造上互 相錯(cuò)開 1/2 螺距。由此轉(zhuǎn)子形成了100個(gè)小齒。目前已經(jīng)有轉(zhuǎn)子單個(gè)加工至100齒的高分辨率型，那么高分辨率型的轉(zhuǎn)子就有200個(gè)小齒。因此其機(jī)械上就可以實(shí)現(xiàn)普通步進(jìn)電機(jī)半步（普通步進(jìn)電機(jī)半步需要電氣細(xì)分達(dá)到）的分辨率。

　　電動(dòng)機(jī)構(gòu)造圖2∶與轉(zhuǎn)軸成垂直方向的斷面圖

　　2、步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)原理。

　　實(shí)際上經(jīng)過(guò)磁化后的轉(zhuǎn)子及定子的小齒的位置關(guān)系，在此說(shuō)明如下。 首先解釋勵(lì)磁，勵(lì)磁就是指電動(dòng)機(jī)線圈通電時(shí)的狀態(tài)。

　　● A相勵(lì)磁

　　將 A 相勵(lì)磁，會(huì)使得磁極磁化成 S 極，而其將與帶有 N極磁性的 轉(zhuǎn)子 1 的小齒互相吸引，并與帶有S極磁性的轉(zhuǎn)子 2 的小齒相斥， 于平衡后停止。此時(shí)，沒有勵(lì)磁的 B相磁極的小齒和帶有 S極磁性 的轉(zhuǎn)子 2 的小齒互相偏離 0.72°。以上是 A 相勵(lì)磁時(shí)的定子和轉(zhuǎn)子小齒的位置關(guān)系。

　　● B相勵(lì)磁

　　其次由 A 相勵(lì)磁轉(zhuǎn)為 B 相勵(lì)磁時(shí)，B 相磁極磁化成 N 極，與擁有 S極磁性的轉(zhuǎn)子 2 互相吸引，而與擁有 N極磁性的轉(zhuǎn)子 1 相斥。

　　也就是說(shuō)，從 A 相勵(lì)磁轉(zhuǎn)換至 B 相勵(lì)磁時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng) 0.72°。由此可知， 勵(lì)磁相位隨 A相→ B相→ C相→ D相→ E相→ A相依次轉(zhuǎn)換，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以每次 0.72°做正確的轉(zhuǎn)動(dòng)。同樣的，希望作反方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，只需將勵(lì)磁順序倒轉(zhuǎn)，依照 A相→ E相→ D相→ C相→ B相→ A相勵(lì)磁即可。

　　0.72°的高分辨率，是取決于定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)造上的機(jī)械偏移量，所以不需要編碼器等傳感器即可正確的定位。下圖就5相步進(jìn)每次的位移量是0.72°進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明：

　　由于第一組定子正好與轉(zhuǎn)子相對(duì)應(yīng)吸引。就勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致第二組定子與對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子相偏離（定子與轉(zhuǎn)子齒距一樣，但是各自所在的2個(gè)圓不一樣大）。而這個(gè)偏離值正好是齒距的十分之一。因此普通5相步進(jìn)的步距角為：360°/50齒/10=0.72°

　　高分辨率5相步進(jìn)的步距角為：360°/100齒/10=0.36°

　　另外，就停止精度而言， 會(huì)影響的只有定子與轉(zhuǎn)子的加工精度、組裝精度、及線圈的直流電阻的不同等而已，因此可獲得 ±3 分（無(wú)負(fù)載時(shí)）的高停止精度。 實(shí)際上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由驅(qū)動(dòng)器來(lái)進(jìn)行勵(lì)磁相的轉(zhuǎn)換，而勵(lì)磁相的轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)則是由輸入驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)所進(jìn)行。以上舉的是 1相位勵(lì)磁的例子，實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，為有效利用線圈同時(shí)進(jìn)行 4相或 5相勵(lì)磁的。

　　3、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特征

　?。?）運(yùn)轉(zhuǎn)需要的三要素：控制器、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

　　以上三部分是步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必不可少的三部分?？刂破饔纸忻}沖產(chǎn)生器，目前主要有plc、單片機(jī)、運(yùn)動(dòng)板卡等等。

　?。?）運(yùn)轉(zhuǎn)量與脈沖數(shù)的比例關(guān)系

　?。?）運(yùn)轉(zhuǎn)速度與脈沖速度的比例關(guān)系

　?。?）本身具有保持力

　　步進(jìn)電機(jī)只有在通電狀況下，才具備自我保持力。在停電狀況下 ，自我保持力消失。

　　因此在升降設(shè)備傳動(dòng)時(shí)，務(wù)必使用附電磁剎車型步進(jìn)電機(jī)。

　　雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下就能使用。它必須由脈沖信號(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)。但是萬(wàn)丈高樓平地起，從步進(jìn)電機(jī)的基礎(chǔ)開始學(xué)習(xí)，無(wú)疑為將來(lái)的應(yīng)用打好扎實(shí)的基礎(chǔ)。