步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)入門(mén)

摘要：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(kāi)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。 

關(guān)鍵詞：脈沖控制   永磁  勵(lì)磁

一、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(chēng)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(kāi) 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

二、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(méi)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。

三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特征

1、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。控制器又叫脈沖產(chǎn)生器，目前主要有PLC、單片機(jī)、運(yùn)動(dòng)板卡等等。

2、運(yùn)轉(zhuǎn)量與脈沖數(shù)的比例關(guān)系

3、運(yùn)轉(zhuǎn)速度與脈沖速度的比例關(guān)系

4、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(chē)型步進(jìn)電機(jī)。

四、結(jié)束語(yǔ)

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(zhuān)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(kāi)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)。