步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵産品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統中。随着微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。作為電力人對步進電機的也不能僅限于認識而已，應該深入了解它的結構、基本原理以及應用，本文将從三個方面帶大家全面認識步進電機。

PART1.

01

什麼是步進電機

步進電機是一種直接将電脈沖轉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、 頻率和數量， 可以實現對步進電機的轉向、 速度和旋轉角度的控制。在不借助帶位置感應的閉環反饋控制系統的情況下、 使用步進電機與其配套的驅動器共同組成的控制簡便、 低成本的開環控制系統， 就可以實現精确的位置和速度控制。

02

基本結構和工作原理

基本結構：

工作原理：

步進電機驅動器根據外來的控制脈沖和方向信号， 通過其内部的邏輯電路， 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， 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， 電機輸出軸将靜止并鎖定位置。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生了變向， 則電機将順着一個既定方向旋轉一步（ 1.8度）。

同理， 如果是另外一項繞組的電流發生了變向， 則電機将順着與前者相反的方向旋轉一步（ 1.8度）。當通過線圈繞組的電流按順序依次變向勵磁時， 則電機會順着既定的方向實現連續旋轉步進， 運行精度非常高。對于1.8度兩相步進電機旋轉一周需200步。

兩相步進電機有兩種繞組形式：雙極性和單極性。雙極性電機每相上隻有一個繞組線圈， 電機連續旋轉時電流要在同一線圈内依次變向勵磁， 驅動電路設計上需要八個電子開關進行順序切換。

單極性電機每相上有兩個極性相反的繞組線圈， 電機連續旋轉時隻要交替對同一相上的兩個繞組線圈進行通電勵磁。驅動電路設計上隻需要四個電子開關。在雙極性驅動模式下， 因為每相的繞組線圈為100%勵磁， 所以雙極性驅動模式下電機的輸出力矩比單極性驅動模式下提高了約40%。

PART2.

01

負載

A. 力矩負載 (Tf)

Tf = G * r

G： 負載重量

r： 半徑

B. 慣量負載 (TJ)

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

M: 負載質量

R1: 外圈半徑

R2: 内圈半徑

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形式。

A. 工作頻率點

電機在某一點的轉速值。

n=q*Hz/(360*D)

n: 轉/秒

Hz: 頻率值

D: 驅動電路細分值

q: 步距角

例如： 距角1.8°的步進電機， 在 1/2 細分驅動方式下(即每步 0.9°) ， 工作頻率 500Hz 時的轉速為1.25r/s.

B. 自啟動區域

步進電機可以直接啟動和停止的區域。

C. 連續運行區域

在該區域内， 電機無法直接啟動或停止。 電機在該區域内運行必須先經過自啟動區域， 然後經過加速達到該工作區域運行。 同理， 電機在該區域内也無法直接制動， 否則容易造成電機失步， 必須先經減速到達自啟動區域内再制動。

D. 最高啟動頻率

電機空載狀态下， 保證電機不丢步運行的最大脈沖頻率。

E. 最高運行頻率

空載情況下， 以勵磁電機運行而不丢步的最高脈沖頻率。

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-力矩曲線的連續運行區域内時， 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态， 從而提高電機的有效運行時間是非常關鍵的。公衆号《機械工程文萃》，工程師的加油站！

如下圖所示， 步進電機的動态力矩特性曲線， 低速運行時曲線為水平直線狀态； 高速運行時， 由于受到電感的影響， 曲線發生了指數下降。

A. 低轉速狀态下的直線加速運行

已知電機負載為TL， 假設想從F0 在最短時間 (t r)内加速到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<t<tr

B. 高轉速狀态下的指數加速運行

(1) 通常情況下

TJ0=70%Tm0 TJ1=70%Tm1 TL=60%Tm1

(2)

tr=F4*In[(TJ0-TL)/(TJ1-TL)]

(3)

F (t) = F2 * [1 – e^(-t/F4)] F0, 0<t<tr F2=(TL-TJ 0)*(F1-F0)/TJ1-TJ0) F4 = 1.8 * 10-5 * J * q * F2/(TJ 0-TL)

備注：

J 表示電機轉子加負載時的轉動慣量。

q 表示每一步的轉動角度， 在整部驅動時就是指電機的步距角。

在減速運行時， 隻需将上述的加速脈沖頻率反轉過來計算就可以了。

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子的固有頻率時會發生共振，嚴重的會發生失步現象。

針對共振的幾種解決方案:

A. 避開振動區：使電機的工作頻率不落在振動範圍内

B. 采用細分的驅動模式：使用微步驅動模式， 将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。這可以通過調整電機的相電流比來實現的。微步并不會增加步距角精确度， 卻能使電機運行更加平穩， 噪音更小。一般電機在半步運行時， 力矩會比正步時小15%， 而采用正弦波電流控制時， 力矩将減小30%。公衆号《機械工程文萃》，工程師的加油站！

PART3.

01

命名規則

02

接線圖

03

一般規格

04

轉軸負載條件(單位：N)

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