步進(jìn)電動機(jī)概述

步進(jìn)電機(jī)是一種離散值控制電機(jī)，它將電脈沖激勵信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移。這種電機(jī)每輸入一個電脈沖就移動一步，所以也叫脈沖電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源由變頻脈沖信號源、脈沖分配器和脈沖放大器組成，向電機(jī)繞組提供脈沖電流。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能取決于電機(jī)與驅(qū)動電源的良好配合。

步進(jìn)電機(jī)具有無累積誤差、結(jié)構(gòu)簡單、使用維護(hù)方便、制造成本低、驅(qū)動負(fù)載慣性能力大的優(yōu)點(diǎn)，適用于中小型機(jī)床和對速度精度要求低的地方。其缺點(diǎn)是效率低，發(fā)熱高，有時“不合拍”。

　　步進(jìn)電動機(jī)的分類

　　1、機(jī)電式步進(jìn)電動機(jī)

機(jī)電式步進(jìn)電機(jī)由鐵芯、線圈和齒輪機(jī)構(gòu)組成。螺線管線圈通電時會產(chǎn)生磁力推動其鐵芯運(yùn)動，輸出軸通過齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動一個角度，輸出軸通過防轉(zhuǎn)齒輪保持在新的工作位置。當(dāng)線圈再次通電時，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)另一個角度，然后依次步進(jìn)。

　　2、磁電式步進(jìn)電動機(jī)

磁電式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，價格低廉，應(yīng)用廣泛。主要有永磁型、磁阻型、混合型。

(1)永磁步進(jìn)電機(jī)。它的轉(zhuǎn)子有永磁體的磁極，在氣隙中產(chǎn)生交變磁場，定子由四相繞組組成(見圖)。當(dāng)A相繞組通電時，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)向A相繞組確定的磁場方向。當(dāng)A相斷開，B相繞組通電勵磁時，會產(chǎn)生新的磁場方向。此時，轉(zhuǎn)子將旋轉(zhuǎn)一個角度，并位于新的磁場方向。激勵相位的順序決定了轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向。如果定子勵磁變化太快，轉(zhuǎn)子將不會與定子磁場方向的變化保持一致，轉(zhuǎn)子將會失步。起動頻率和運(yùn)行頻率低是永磁步進(jìn)電機(jī)的一個缺點(diǎn)。而永磁步進(jìn)電機(jī)功耗更小，效率更高。20世紀(jì)80年代初，出現(xiàn)了盤式轉(zhuǎn)子永磁盤式步進(jìn)電機(jī)，使得步進(jìn)角度和工作頻率達(dá)到了磁阻式步進(jìn)電機(jī)的水平。

(2)磁阻步進(jìn)電機(jī)。定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯的內(nèi)外表面具有按一定規(guī)律分布的相似齒槽，定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯齒槽相對位置的變化引起磁路磁阻的變化，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。其轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片或軟磁材料制成。定子某一相勵磁時，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)到磁路磁阻小的位置。當(dāng)另一相被激勵，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到另一個位置時，當(dāng)磁路的磁阻小時，電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。此時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個步距角b，即n為轉(zhuǎn)動一個齒距的轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)拍數(shù)；ZR是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。

磁阻步進(jìn)電機(jī)有多種結(jié)構(gòu)形式。定子鐵芯有單段式和多段式；磁路有徑向和軸向。繞組有三相、四相和五相。磁阻步進(jìn)電機(jī)的步距角可以是1 ~ 15，甚至更小，精度容易保證，起動和運(yùn)行頻率更高，但功耗更大，效率更低。

(3)混合式步進(jìn)電機(jī)。其定子和轉(zhuǎn)子鐵芯結(jié)構(gòu)與磁阻步進(jìn)電機(jī)相似。轉(zhuǎn)子有永磁體，在氣隙中產(chǎn)生單極磁場，該磁場也由轉(zhuǎn)子上軟磁材料的齒槽調(diào)制。

混合式步進(jìn)電機(jī)兼有永磁步進(jìn)電機(jī)和磁阻步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有步距角小、精度高、工作頻率高、功耗低、效率高的優(yōu)點(diǎn)。

　　3、直線式步進(jìn)電動機(jī)

有兩種：反應(yīng)型和索耶型。索伊爾直線步進(jìn)電機(jī)由靜止部分(稱為反作用板)和運(yùn)動部分(稱為動子)組成。反應(yīng)板由軟磁材料制成，其上均勻地形成有齒和槽。電機(jī)的動子由一個永磁體和兩個帶線圈的磁極a和b組成。動子由氣墊支撐，以消除運(yùn)動時的機(jī)械摩擦，使電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，提高定位精度。該電機(jī)移動速度可達(dá)1.5m/s，加速度可達(dá)2g，定位精度可達(dá)20微米以上。兩個索伊爾直線步進(jìn)電機(jī)垂直組裝形成一個平面電機(jī)。通過在X方向和Y方向給兩個電機(jī)不同的控制電流組合(圖3)，電機(jī)可以在平面內(nèi)做出任何幾何軌跡。大型自動繪圖儀是計算機(jī)與平面電機(jī)相結(jié)合的新型設(shè)備。平面電機(jī)也可用于激光切割系統(tǒng)，其控制精度和分辨率可達(dá)數(shù)十微米。

　　步進(jìn)電動機(jī)工作原理

我們用圖11.20來說明這種電機(jī)的工作原理。

磁阻步進(jìn)電機(jī)

機(jī)的定子上裝有多相勵磁繞組，圖11.20中為常使用的三相繞組步進(jìn)電動機(jī)的示意圖。三相繞組形成6個磁極。轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成，上有4個齒。當(dāng)A相繞組通電，而B、C相繞組均不通電時，由于磁通力圖走磁阻小路徑，使磁路磁阻小，因此產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩使齒1、3的軸線與定子A相磁極對齊。在下一時刻給B相通電，斷開A相供電將使轉(zhuǎn)子齒2、4的軸線與B相磁極對齊，轉(zhuǎn)子因此整體上逆時針旋轉(zhuǎn)了30°。因此按A-B-C—A…的順序使三個繞組輪流通電將使得轉(zhuǎn)子逆時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。如果按A-C-B-A…的順序通電，轉(zhuǎn)子將順時針旋轉(zhuǎn)。由此可得到如下的判斷：

　?。?）步進(jìn)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向取決于繞組通電的順序；

　?。?）電動機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于繞組通斷的頻率；

　?。?）繞組的每次通電切換，轉(zhuǎn)角步進(jìn)的距離為轉(zhuǎn)子齒間夾角距的l/m，亦即步距角為齒距的l/m。

　　上述步進(jìn)電動機(jī)模型中每步步距角為30°，很難適應(yīng)精細(xì)控制的要求。實際的電動機(jī)采用如圖11. 21的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中定子磁極的極弧上開有一些均勻分希的小齒，轉(zhuǎn)子表面也均勻分布著小齒。轉(zhuǎn)子小齒之間按角度度量的齒距和定子的齒距完全相等。所謂齒距就是相鄰兩齒中心線的夾角，又稱為齒距角DT=360°/Zr 式中DT-齒距； Zr-轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。

　　由于開了這些小齒，轉(zhuǎn)子在繞組切換時的轉(zhuǎn)動在小于DT的范圍內(nèi)就能找到一個磁阻小的位置，這樣就大大減小了步距角，提高了運(yùn)動的分辨率。

　　從圖11. 20的分析中注意到當(dāng)轉(zhuǎn)子的齒與某一磁極的齒完全吻合時，對于m相電動機(jī)來說，轉(zhuǎn)子的齒與其他二相磁極的齒必須依次錯開l/m齒距。對于三相電動機(jī)來說，當(dāng)A相通電時，轉(zhuǎn)子的小齒與B、C兩相磁極上的小齒必須依次錯開DT/3。在這種約束下，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)就不能是任意數(shù)值，而是必須滿足以下的條件：

　　Zr/2p=K±1/m即Zr=2p（K±1/m）=2pK±2

　　式中K-正整數(shù); p-極對數(shù)； m-相數(shù)，p=m。

　　混合式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理

　　圖中的電動機(jī)定子有4個沿圓周均勻分布的齒，線圈繞制在齒上且成對連接。具有不同極性的兩段轉(zhuǎn)子各有3個齒。圖中以實線表示S段，以虛線表示N段，兩段轉(zhuǎn)子交錯半個齒距。

　　當(dāng)繞組中不通電流時，因為轉(zhuǎn)子中的永磁體總是試圖減少磁路中的磁阻，轉(zhuǎn)子將趨向有限的若干位置，直至N極和S極轉(zhuǎn)子上各有一齒與定子磁極對齊。對于圖中的電機(jī)來說，這樣的位置有12個。將轉(zhuǎn)子保持在這些位置上的轉(zhuǎn)矩通常不大，稱之為維持轉(zhuǎn)矩。

　　如果如圖11. 28（a）那樣有電流通過一相繞組，在定子上產(chǎn)生的N極和S極將吸引異性轉(zhuǎn)子段上的齒，在這種情況下，只有和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)一樣的3個穩(wěn)定位置，將轉(zhuǎn)子從定位位置上拉開的轉(zhuǎn)矩要大得多，稱為鎖定轉(zhuǎn)矩。

　　將通電方式由圖（a）切換至圖（b），定子磁場轉(zhuǎn)過90。，并將吸引另一對齒，結(jié)果轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了30。，相當(dāng)于一個整步。在從圖（b）到圖（c）中，勵磁又回到前一繞組，但是電流方向相反，可使轉(zhuǎn)子再前進(jìn)一整步。在圖（d）中再使第二相繞組電流反向又可前進(jìn)一步。這樣轉(zhuǎn)子就走過了一個齒距。步驟從圖（d）后再回到圖（a），如此反復(fù)，形成電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，每轉(zhuǎn)需要12步。顯然，以相反的順序激勵定子繞組，電動機(jī)將反轉(zhuǎn)。

　　通常定子的小齒以不同于轉(zhuǎn)子的齒距均勻分布，在齒數(shù)較多的電動機(jī)中（如圖11. 27），定子和轉(zhuǎn)子的齒距排列使得只有轉(zhuǎn)子對面的兩個齒與兩個相距180。的定子齒完全對齊。同時，相距90。機(jī)械角處的定轉(zhuǎn)子齒則完全錯開。對于這樣結(jié)構(gòu)的混合式電動機(jī)，可用如下的公式計算其每轉(zhuǎn)步數(shù)N=┃NrNs/（Ns-Nr）┃

　　其中，N為每轉(zhuǎn)步數(shù)；Nr和Ns分別是轉(zhuǎn)子和定子的齒數(shù)。對于圖11.27中的例子，Nr和Ns分別是8和10，則可計算出這種電動機(jī)每轉(zhuǎn)40步，步距角為9。

　　步進(jìn)電動機(jī)為什么需要驅(qū)動電路才能工作

　　步進(jìn)電動機(jī)是為了精確位移設(shè)計的，為了達(dá)到較高精度效率必然偏低電流大，不是直流電機(jī)加電就可運(yùn)行。且步進(jìn)電機(jī)是靠單片子產(chǎn)生脈沖來控制轉(zhuǎn)矩的，單片機(jī)本身驅(qū)動電流較小，驅(qū)動不了電機(jī)繞組，要用驅(qū)動電路產(chǎn)生較大電流，直接驅(qū)動會燒壞單片機(jī)。