步進(jìn)電動(dòng)機(jī)概念及其工作原理

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)概念及其工作原理1．步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，它實(shí)際上是一種單相或多相同步電動(dòng)機(jī)。單相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有單路電脈沖驅(qū)動(dòng)，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動(dòng)。多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動(dòng)，用途很廣。使用多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，單路電脈沖信號(hào)可先通過(guò)脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號(hào)，在經(jīng)功率放大后分別送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組。每輸入一個(gè)脈沖到脈沖分配器，電動(dòng)機(jī)各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度（稱為步距角）。正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。1.1步進(jìn)電機(jī)的特性步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使用的是脈沖信號(hào)，而脈沖是數(shù)字信號(hào)，這恰是計(jì)算機(jī)所擅長(zhǎng)處理的數(shù)據(jù)類型。從20世紀(jì)80年代開始開發(fā)出了專用的IC驅(qū)動(dòng)電路，今天，在打印機(jī)、磁盤器等的OA裝置的位置控制中，步進(jìn)電機(jī)都是不可缺少的組成部分之一?？傮w上說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：1．不需要反饋，控制簡(jiǎn)單。2．與微機(jī)的連接、速度控制（啟動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)）及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。3．沒有角累積誤差。4．停止時(shí)也可保持轉(zhuǎn)距。5．沒有轉(zhuǎn)向器等機(jī)械部分，不需要保養(yǎng)，故造價(jià)較低。6．即使沒有傳感器，也能精確定位。7．根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)動(dòng)。但是，這種電機(jī)也有自身的缺點(diǎn)。8．難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩9、不宜用作高速轉(zhuǎn)動(dòng)10．在體積重量方面沒有優(yōu)勢(shì)，能源利用率低。11．超過(guò)負(fù)載時(shí)會(huì)破壞同步，速工作時(shí)會(huì)發(fā)出振動(dòng)和噪聲。1.2步進(jìn)電機(jī)的種類目前常用的步進(jìn)電機(jī)有三類：1、 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（VR）。采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，但動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差。2、 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（PM）。轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)步的角度一般是7.50。它的出力大，動(dòng)態(tài)性能好；但步距角一般比較大。3、 混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（HB）。這是PM和VR的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。此類電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是性能較好的一類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在計(jì)算機(jī)相關(guān)的設(shè)備中多用此類電機(jī)。2、步進(jìn)電機(jī)的工作原理現(xiàn)以反應(yīng)式三相步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明其工作原理。三相步進(jìn)電機(jī)的定子鐵心上有六個(gè)形狀相同的大齒，相鄰兩個(gè)大齒之間的夾角為60度。每個(gè)大齒上都套有一個(gè)線圈，徑向相對(duì)的兩個(gè)線圈串聯(lián)起來(lái)成為一相繞組。各個(gè)大齒的內(nèi)表面上又有若干個(gè)均勻分布的小齒。轉(zhuǎn)子是一個(gè)圓柱形鐵心，外表面上圓周方向均勻的布滿了小齒。轉(zhuǎn)子小齒的齒距是和定子相同的。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使轉(zhuǎn)子齒數(shù)能被二整除。但某一相繞組通電，而轉(zhuǎn)子可自由旋轉(zhuǎn)時(shí)，該相兩個(gè)大齒下的各個(gè)小齒將吸引相近的轉(zhuǎn)子小齒，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到轉(zhuǎn)子小齒與該相定子小齒對(duì)齊的位置，而其它兩相的各個(gè)大齒下的小齒必定和轉(zhuǎn)子的小齒分別錯(cuò)開正負(fù)1/3的齒距，形成“齒錯(cuò)位”，從而形成電磁引力使電動(dòng)機(jī)連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)下去。和反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不同，永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組電流要求正，反向流動(dòng)，故驅(qū)動(dòng)電路一般要做成雙極性驅(qū)動(dòng)?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組電流也要求正，反向流動(dòng)，故驅(qū)動(dòng)電路通常也要做成雙極性。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移（或線位移）的電磁裝置，是一種特殊的電動(dòng)機(jī)。一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入肘步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，每給它一個(gè)脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在沒有脈沖輸入時(shí)，在繞組電源的激勵(lì)下氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按其輸出轉(zhuǎn)矩的大小來(lái)分，可以分為快速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。快速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)工作頻率高而輸出轉(zhuǎn)矩較小，一般在“?cm級(jí)，可以作為控制小型精密機(jī)床的工作臺(tái)（例線切割機(jī)床）也可以和液壓轉(zhuǎn)矩放大器組成電液脈沖馬達(dá)去驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)，而功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩就比較大是N?m級(jí)的，可以直接去驅(qū)動(dòng)機(jī)床的移動(dòng)部件。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按其勵(lì)磁相數(shù)，可以分為三相、四相、五相、六相甚至八相。一般來(lái)說(shuō)隨著相數(shù)的增加，在相同頻率的情況下，每相導(dǎo)通電流的時(shí)間增加，各相平均電流會(huì)高些，從而使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性會(huì)好些，步距角亦小。但是隨著相數(shù)的增加，電動(dòng)機(jī)的尺寸就增加，結(jié)構(gòu)亦復(fù)雜，目前多用3?6相的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著輸入脈沖頻率變化而變化，調(diào)速范圍很廣，靈敏度高，輸出轉(zhuǎn)角能夠控制，而且輸出精度較高，又能實(shí)現(xiàn)同步控制，所以廣泛地使用在開環(huán)系統(tǒng)中，也還可用在一般通用機(jī)床上，提高進(jìn)給機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化水平。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按其工作原理來(lái)分，主要有磁電式和反應(yīng)式兩大類，這里只介紹常用的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理，現(xiàn)用下圖的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)化圖來(lái)加以說(shuō)明。在電動(dòng)機(jī)定子上有A、B、C三對(duì)磁極，磁極上繞有線圈，分別稱之為A相、B相和C相，而轉(zhuǎn)子則是一個(gè)帶齒的鐵心，這種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)稱之為三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。如果在線圈中通以直流電，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)A、B、C三個(gè)磁極的線圈依次輪流通電，則A、B、C三對(duì)磁極就依次輪流產(chǎn)生磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。 首先有一相線圈（設(shè)為A相）通電，則轉(zhuǎn)子1、3兩齒被磁極A吸住，轉(zhuǎn)子就停留在圖5—5a的位置上。然后，A相斷電，6相通電，則磁極A的磁場(chǎng)消失磁極B產(chǎn)生了磁場(chǎng)，磁極召的磁場(chǎng)把離它最近的2、4兩齒吸引過(guò)去，停止在圖b的位置上，這時(shí)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)了30°。再接下去B相斷電，C相通電。根據(jù)同樣道理，轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針轉(zhuǎn)了30°，停止在圖c的位置上。若再A相通電，C相斷開，那么轉(zhuǎn)子再逆轉(zhuǎn)30°，使磁極A的磁場(chǎng)把2、4兩個(gè)齒吸住。定子各相輪流通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒。這樣按A-B-C-A-B-C-A-^次序輪流通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就一步一步地按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。通電線圈每轉(zhuǎn)換一次，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)30°，我們把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每步轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱之為步距角。如果把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電線圈轉(zhuǎn)換的次序倒過(guò)來(lái)?yè)Q成A-C-B-A-C-B-…的順序，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，所以要改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可以在任何一相通電時(shí)進(jìn)行。運(yùn)行性能不同步進(jìn)電機(jī)的控