步進電機工作原理

一、什么是步進電機

步進電機是將電脈沖信號，轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機，又稱為脈沖電機。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時，它就可以驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”。

步進電機的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率，來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機多用于數(shù)字式計算機的外部設(shè)備，以及打印機、繪圖機和磁盤等裝。

二、步進電機的特點：

步進電機工作時的位置和速度信號不反饋給控制系統(tǒng)，如果電機工作時的位置和速度信號反饋給控制系統(tǒng)，那么它就屬于伺服電機。相對于伺服電機，步進電機的控制相對簡單，但不適用于精度要求較高的場合。

步進電機的優(yōu)點和缺點都非常的突出，優(yōu)點集中于控制簡單、精度高，缺點是噪聲、震動和效率，它沒有累積誤差，結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便，制造成本低。步進電機帶動負載慣量的能力大，適用于中小型機床和速度精度要求不高的地方，缺點是效率較低、發(fā)熱大，有時會“失步”。優(yōu)缺點如下所示。

優(yōu)點：

1. 電機操作易于通過脈沖信號輸入到電機進行控制；

2. 不需要反饋電路以返回旋轉(zhuǎn)軸的位置和速度信息（開環(huán)控制）；

3. 由于沒有接觸電刷而實現(xiàn)了更大的可靠性。

缺點：

1. 需要脈沖信號輸出電路；

2. 當控制不適當?shù)臅r候，可能會出現(xiàn)同步丟失；

3. 由于在旋轉(zhuǎn)軸停止后仍然存在電流而產(chǎn)生熱量。

三、步進電機的分類：

在相同電流且相同轉(zhuǎn)矩輸出的條件下，單極型步進電機比雙極型步進電機多一倍的線圈，成本更高，控制電路的結(jié)構(gòu)也不一樣，目前市場上流行的大多是雙極型步進電機。

步進電機在構(gòu)造上通常主要按照轉(zhuǎn)子特點和定子繞組進行分類，下面將詳細介紹這兩種類型的分類。

按照轉(zhuǎn)子分類，有三種主要類型：反應(yīng)式(VR型)、永磁式(PM型)、混合式(HB型)。

反應(yīng)式

定子上有繞組，繞組由軟磁材料組成。其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、步距角小，可達1.2度，但動態(tài)性能差，效率低、發(fā)熱大，可靠性難以保證。

永磁式

永磁式步進電機的轉(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。其特點是動態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機度差，步距角大（一般為7.5度或15度）。

混合式

混合式步進電機綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點，其定子上有很多相繞組，轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子均有多個小齒以提高步距精度。其特點是輸出力矩大、動態(tài)性能好、步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對較高。

步進電機按照定子上繞組來分類，共有二相、三相和五相等系列。目前最受歡迎的是兩相混合式步進電機，約占97%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細分驅(qū)動器后效果良好。

該種電機的基本步距角為1.8度／步，配上半步驅(qū)動器后，步距角減少為0.9度，配上細分驅(qū)動器后。其步距角可細分達256倍（0.007度／微步）。由于摩檫力和制造精度等原因，實際控制精度略低。同一步進電機可配不同細分的驅(qū)動器以改變精度的效果。

四、步進電機的工作原理：

步進電機是通過脈沖信號來進行控制，每輸入一個脈沖信號，步進電機前進一步。步進電機旋轉(zhuǎn)的步距角，是在電機結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上等比例控制產(chǎn)生的，如果控制電路的細分控制不變，那么步進旋轉(zhuǎn)的步距角在理論上是一個固定的角度。在實際工作中，電機旋轉(zhuǎn)的步距角會有微小的差別，主要是由于電機結(jié)構(gòu)上的固定有誤差產(chǎn)生的，而且這種誤差不會積累。

步進電機的總極數(shù)越大，加工精度的要求就會越高。通常工業(yè)用混合型步進電機的步距角是1.8度，就是200極。

步進電機的相電流及磁場，遵循安培右手螺旋定律，由電能產(chǎn)生磁場能量，控制電機相電流，就能使電機定子的磁極方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，二相磁場的變化相配合，進而產(chǎn)生電機的旋轉(zhuǎn)。

如果電流方向發(fā)生變化，磁極的方向也會發(fā)生變化，步進電機的電流流過定子產(chǎn)生磁場的過程叫做勵磁。

通常所說的二相步進電機，電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，包含不同磁極的磁場相斥和相吸實現(xiàn)的。如上圖所示，A相產(chǎn)生N極磁場吸引轉(zhuǎn)子的S極，B相產(chǎn)生S極磁場吸引轉(zhuǎn)子的N極，使定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的動力。如果改變A、B相定子線圈的電流方向，電機會產(chǎn)生另一步的旋轉(zhuǎn)。連續(xù)改變A、B相定子線圈的電流方向，電機會產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。

如上圖所示，電機的運動是通過改變電流在電機中的流動來實現(xiàn)的，電子轉(zhuǎn)子排斥B相磁極的定子，吸引A相磁極的定子，這就產(chǎn)生了另一個步進操作。

執(zhí)行另一個步進操作，電機定子磁極反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子排斥B相磁極的定子，吸引A相磁極的定子，如上圖所示。

如上圖所示，定子線圈中的電流方向無論何時發(fā)生變化，磁極將會反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子重復(fù)步進操作。東芝步進電機驅(qū)動控制電路對電機的磁場勵磁的控制，是通過脈寬調(diào)制方式實現(xiàn)的，能夠?qū)崿F(xiàn)電機高效、穩(wěn)定的運行。