步進(jìn)電機(jī)的基礎(chǔ)知識

Word步進(jìn)電機(jī)的基礎(chǔ)知識（步進(jìn)電機(jī)）基礎(chǔ)知識

每個（電機(jī)）都會轉(zhuǎn)換功率。電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)不僅可以將電能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)，而且可以非常精確地控制旋轉(zhuǎn)的距離和速度。

步進(jìn)電機(jī)之所以如此命名，是因為每個電脈沖都會使電機(jī)轉(zhuǎn)動一步。步進(jìn)電機(jī)由驅(qū)動器控制，驅(qū)動器將脈沖發(fā)送到電機(jī)中使其轉(zhuǎn)動。電機(jī)轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù)等于饋入驅(qū)動器的脈沖數(shù)。電機(jī)將以等于這些相同脈沖頻率的速率旋轉(zhuǎn)。

步進(jìn)電機(jī)非常容易控制。大多數(shù)驅(qū)動器正在尋找5伏脈沖，這恰好是大多數(shù)（集成電路）的電壓電平。您只需要設(shè)計一個輸出脈沖的電路或使用東方馬達(dá)的脈沖發(fā)生器之一。

步進(jìn)電機(jī)最顯著的特點之一是它們能夠非常準(zhǔn)確地定位。稍后將對此進(jìn)行深入介紹。步進(jìn)電機(jī)并不完美，總會有一些小的不準(zhǔn)確之處。ORIENTALMOTOR的標(biāo)準(zhǔn)步進(jìn)電機(jī)的精度為±3弧分(0.05°)。不過，步進(jìn)電機(jī)的顯著特點是這種誤差不會逐步累積。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)步進(jìn)電機(jī)移動一步時，它將移動1.8°±0.05°。如果同一臺電機(jī)行進(jìn)一百萬步，它將行進(jìn)1,800,000°±0.05°。錯誤不會累積。

步進(jìn)電機(jī)可以快速響應(yīng)和加速。它們具有低轉(zhuǎn)子慣性，可以快速加速。因此，步進(jìn)電機(jī)非常適合短距離、快速移動。

步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)

下圖顯示了一個典型的基于步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)。所有這些部分都必須以一種或另一種形式存在。每個組件的性能都會對其他組件產(chǎn)生影響。

第一個組件是計算機(jī)或（PLC）。這是系統(tǒng)背后的大腦。計算機(jī)不僅控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，而且還將控制機(jī)器的其余部分。它可能會升起電梯或推進(jìn)傳送帶。它可以像PC或PLC一樣復(fù)雜，也可以像操作員按鈕一樣簡單。

第二部分是分度器或PLC卡。這告訴步進(jìn)電機(jī)要做什么。它將輸出電機(jī)移動的正確脈沖數(shù)并改變頻率，以便電機(jī)加速，以一定速度運(yùn)行，然后減速。

這可能是一個單獨的組件，如ORIENTALMOTORSG8030分度器或滑入PLC的脈沖發(fā)生器卡。形式是無關(guān)緊要的，但它必須存在才能使電機(jī)移動。

接下來的四個框組成（電機(jī)驅(qū)動器）。相位控制邏輯從分度器獲取脈沖并確定應(yīng)為電機(jī)的哪一相通電。相位必須按特定順序通電，相位控制邏輯負(fù)責(zé)處理這一點。邏輯（電源）是為驅(qū)動器中的IC供電的低電平電源。這取決于（芯片）組或應(yīng)用設(shè)計，但大多數(shù)邏輯電源都在5伏范圍內(nèi)。電機(jī)電源是為電機(jī)供電的電源電壓。此電壓水平通常在24V（DC）范圍內(nèi)，但也可能更高。最后，（功率放大器）是允許（電流）為相位供電的（晶體管）組。它們不斷地打開和關(guān)閉，以按照正確的順序移動電機(jī)。

所有這些組件都會指示電機(jī)移動負(fù)載。負(fù)載可以是絲杠、圓盤或傳送帶。

步進(jìn)電機(jī)的類型

目前有三種通用類型的步進(jìn)電機(jī)。

可變磁阻(（VR）)

永久磁鐵(PM)

雜交種

ORIENTALMOTOR只生產(chǎn)混合式步進(jìn)電機(jī)。

可變磁阻步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子上都有齒，但沒有磁鐵。因此它沒有制動力矩。永磁體有一個用于轉(zhuǎn)子的磁鐵，但沒有齒。通常，PM磁鐵的步距角很粗糙，但它確實有制動力矩。

混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)合了永磁體的磁體和可變磁阻電機(jī)的齒。磁鐵是軸向磁化的，這意味著在右圖中，上半部分是北極，下半部分是南極。磁鐵上有兩個帶50個齒的帶齒轉(zhuǎn)子杯。兩個杯錯開3.6°，因此如果我們向下看北極杯上兩個齒之間的轉(zhuǎn)子，我們會看到正中間的南極杯上的一個齒。

這些電機(jī)為兩相結(jié)構(gòu)，每相4個極。彼此相隔90°的磁極構(gòu)成每一相。每相都繞線，使極180°為相同極性，而相隔90°為相反極性。如果該相中的電流反轉(zhuǎn)，極性也會反轉(zhuǎn)。這意味著我們可以將任何定子極制成北極或南極。

轉(zhuǎn)子上有50個齒。齒間距為7.2°。當(dāng)電機(jī)移動時，一些轉(zhuǎn)子齒與定子齒不對齊3/4齒距、1/2齒距和1/4齒距。當(dāng)電機(jī)步進(jìn)時，它會走最簡單的路線，因為7.2°的1/4是1.8°，電機(jī)每步移動1.8°。

最后，扭矩和精度取決于極（齒）數(shù)。磁極越大，扭矩和精度越好。ORIENTALMOTOR提供“高分辨率”步進(jìn)電機(jī)。這些電機(jī)的齒距是我們標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)的一半。轉(zhuǎn)子有100個齒，齒間夾角為3.6°。當(dāng)電機(jī)移動1/4齒距時，它移動0.9°。我們的“高分辨率”型號的分辨率是標(biāo)準(zhǔn)型號的兩倍，每轉(zhuǎn)400步，而每轉(zhuǎn)200步。

較小的步進(jìn)角意味著較低的振動，因為我們沒有每一步都走得那么遠(yuǎn)。

結(jié)構(gòu)

下圖顯示了5相步進(jìn)電機(jī)的橫截面。步進(jìn)電機(jī)主要由兩部分組成：定子和轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子又由三個部件組成：轉(zhuǎn)子杯1、轉(zhuǎn)子杯2和永磁體。轉(zhuǎn)子在軸向方向被磁化，因此，例如，如果轉(zhuǎn)子杯1被極化為北極，則轉(zhuǎn)子杯2將被極化為南極。

定子有10個帶小齒的磁極，每個極上有一個繞組。

每個繞組都連接到相反極的繞組，以便當(dāng)電流通過該對繞組時，兩個極都被磁化為相同的極性。（使電流流過給定繞組會磁化相同極性（即北極或南極）的相對對極。）

相對的一對磁極構(gòu)成一個相。由于這種特殊的電機(jī)有10個磁極，即5個相，因此稱為5相步進(jìn)電機(jī)。

每個轉(zhuǎn)子的外周有50個齒，轉(zhuǎn)子杯1和轉(zhuǎn)子杯2的齒彼此（機(jī)械）偏移半個齒距。

速度-扭矩

知道如何閱讀速度-扭矩曲線非常重要，因為它會告訴我們電機(jī)可以做什么和不能做什么。速度-扭矩曲線代表給定的電機(jī)和給定的驅(qū)動器。電機(jī)運(yùn)行后，其扭矩取決于驅(qū)動器類型和電壓。當(dāng)與不同的驅(qū)動器一起使用時，相同的電機(jī)可能具有非常不同的速度-扭矩曲線。

ORIENTALMOTOR給出速度-扭矩曲線供參考。如果電機(jī)與類似的驅(qū)動器一起使用，具有類似的電壓和類似的電流，您應(yīng)該獲得類似的性能。參考下面的交互速度-扭矩曲線：

讀取速度-扭矩曲線

保持扭矩

當(dāng)額定電流流過繞組時，電機(jī)在靜止時產(chǎn)生的扭矩量。

啟動/停止區(qū)域

電機(jī)可以立即啟動、停止或反轉(zhuǎn)的值。

牽引扭矩

電機(jī)可以與輸入脈沖同步啟動、停止或反轉(zhuǎn)的扭矩和速度值。

PulloutTorque

電機(jī)可以與輸入相位同步運(yùn)行的扭矩和速度值。電機(jī)在不失速的情況下可以提供的最大值。

最大啟動速度

電機(jī)在空載時可以啟動的最大速度。

最大運(yùn)行速度

電機(jī)運(yùn)行的最快速度，在無負(fù)載的情況下測得。

為了在拉入和拉出之間的區(qū)域運(yùn)行，電機(jī)必須首先在啟動/停止區(qū)域啟動。然后增加脈沖率，直到達(dá)到所需的速度。停止時，電機(jī)速度會降低，直到它低于牽引扭矩曲線。

扭矩與電流和導(dǎo)線匝數(shù)成正比。如果我們想增加20%的扭矩，我們應(yīng)該增加20%左右的電流。同樣，如果我們想將扭矩降低50%，則將電流降低50%。

由于磁飽和，將電流增加到額定電流的2倍以上沒有任何優(yōu)勢。那時電流的增加不會增加扭矩。在大約10倍的額定電流下，您將面臨轉(zhuǎn)子消磁的風(fēng)險。

我們所有的電機(jī)都具有B級絕緣，并且在絕緣降級之前可以承受130°C的溫度。如果我們允許從內(nèi)到外有30°的溫差，則外殼不應(yīng)超過100°C。

電感影響高速扭矩。電感是電機(jī)沒有達(dá)到無窮大的高扭矩的原因。每個電機(jī)繞組都有一定的電感和電阻值。以亨利為單位的電感除以以歐姆為單位的電阻，得出秒的值。該秒數(shù)（時間常數(shù)）是線圈充電至其額定值的63%所需的時間。如果電機(jī)的額定電流為1安培，經(jīng)過1個時間常數(shù)后，線圈的電流將為0.63安培。在大約4或5個時間常數(shù)后，線圈將達(dá)到1安培。由于扭矩與電流成正比，如果電流僅充電至63%，電機(jī)在1個時間常數(shù)后將只有其扭矩的63%左右。

在低速時，這不是問題。電流可以足夠快地進(jìn)出線圈，因此電機(jī)具有額定轉(zhuǎn)矩。然而，在高速下，電流無法在切換下一相之前足夠快地進(jìn)入。扭矩減小。

驅(qū)動器電壓在高速性能中起著很大的作用。驅(qū)動電壓與電機(jī)電壓之比越高，高速性能越好。（高壓）迫使電流以比上述63%更快的速度流入繞組。

振動

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)從一步移動到下一步時，轉(zhuǎn)子不會立即停止。轉(zhuǎn)子實際上通過了最終位置，被拉回，以相反的方向通過最終位置并繼續(xù)前后移動，直到它最終停止（見下面的交互圖）。我們稱之為“振鈴”，電機(jī)每走一步都會發(fā)生這種情況。類似于彈力繩，動量使轉(zhuǎn)子經(jīng)過其停止點，然后來回“彈跳”，直到最終停止。然而，在大多數(shù)情況下，電機(jī)會在停止之前被命令移動到下一步。

下圖顯示了不同負(fù)載條件下的振鈴。卸載時，電機(jī)會發(fā)出很多響聲。很多鈴聲意味著很多振動。如果電機(jī)空載或輕載，電機(jī)通常會失速，因為振動太高會失去同步。測試步進(jìn)電機(jī)時，務(wù)必確保添加負(fù)載。

另外兩個圖表顯示了帶負(fù)載的電機(jī)。正確加載電機(jī)將平滑其性能。負(fù)載應(yīng)要求電機(jī)可產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的30%至70%之間，負(fù)載慣量與轉(zhuǎn)子慣量之比應(yīng)在1:1至10:1之間。對于更短、更快的動作，比例應(yīng)該接近1:1到3:1。

ORIENTALMOTOR應(yīng)用專家和（工程師）可以協(xié)助確定合適的尺寸。

當(dāng)輸入脈沖頻率與電機(jī)的固有頻率匹配時，電機(jī)會出現(xiàn)更劇烈的振動。這稱為共振，通常發(fā)生在200Hz左右。在共振中，過沖和下沖變得更大，漏步的機(jī)會也更高。共振隨負(fù)載慣性而變化，但通常在200Hz左右。

兩相步進(jìn)電機(jī)只能以四組為一組進(jìn)行失步。如果您錯過了四的倍數(shù)的步數(shù)，則振動會導(dǎo)致失去同步性，或者負(fù)載太大。如果錯過的步驟不是四的倍數(shù)，則很可能是錯誤的脈沖數(shù)或電噪聲導(dǎo)致了問題。

有多種方法可以避免共振。最簡單的方法是完全避免這種速度。對于60rpm的兩相電機(jī)，200Hz并不是非?？?。大多數(shù)電機(jī)的最大啟動速度約為1000pps左右。所以在大多數(shù)情況下，您可以以高于諧振速度的速度啟動電機(jī)。

如果您必須以低于共振速度的速度啟動，請快速加速通過共振范圍。

另一種解決方案是使步距角更小。對于更大的步距角，電機(jī)總是會過沖和下沖更多。如果電機(jī)不需要走很遠(yuǎn)，它就不會產(chǎn)生足夠的力（扭矩）來過沖。只要步距角變小，電機(jī)就不會振動那么大。這就是半步和微步系統(tǒng)在減少振動方面如此有效的原因。

確保電機(jī)的尺寸適合負(fù)載。通過選擇合適的電機(jī)，您可以提高性能。

阻尼器也可用。阻尼器安裝在電機(jī)的后軸上并吸收一些振動能量。他們通常會廉價地平滑振動電機(jī)。

五相步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)中一項相對較新的技術(shù)是5相。2相和5相（見下面的交互圖）之間最明顯的區(qū)別是定子極數(shù)。2相電機(jī)有8個極，每相4個，而5相電機(jī)有10個極，每相2個。轉(zhuǎn)子與二相電機(jī)相同。

Whilethe2-phasemotormoves1/4tooth（pi）tcheachphase.The5-phase,becauseofitsconstruc（ti）on,moves1/10ofatoothpitch.Sincethepitchisstill7.2°,thes（te）pangleis0.72°.Simplybasedonconstruction,theresolutionofthe5-phasehas500stepsperrevolutionve（rs）usthe2-phasewith200stepsperrevolution.The5-phaseoffersaresolution2.5timesbetterthanthatofthe2-phase.

分辨率越高，步距角越小，從而減少振動。由于5相步進(jìn)角比2相小2.5倍，因此振鈴和振動要低得多。在2相和5相中，轉(zhuǎn)子必須過沖或下沖超過3.6°才能失步。由于5相的步距角僅為0.72°，電機(jī)幾乎不可能出現(xiàn)3.6°的過沖或下沖。與5相步進(jìn)電機(jī)失去同步的可能性非常低。

驅(qū)動方式

步進(jìn)電機(jī)有四種不同的驅(qū)動方式：

波驅(qū)動（整步）

2相開啟（整步）

1-2PhasesOn（半步）

微步

波浪驅(qū)動

在下圖中，波驅(qū)動方法已被簡化以更好地說明該理論。在圖中，每旋轉(zhuǎn)90°代表實際電機(jī)中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1.8°。

在波驅(qū)動方式（也稱為1相ON方式）中，一次只接通一相。當(dāng)我們給A相的a南極通電時，它就吸引了轉(zhuǎn)子的北極。我們關(guān)閉A并打開B，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)90°（1.8°），依此類推。每次只有一相通電。

波浪驅(qū)動器有一個四步（電氣）序列來旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

2相開

在“2相接通”方法中，兩相始終通電。

同樣在下圖中，每90°代表旋轉(zhuǎn)1.8°。如果A相和B相都通電為南極，則轉(zhuǎn)子的北極將被同等地吸引到兩極并直接在中間排成一行。隨著相的順序通電，轉(zhuǎn)子將旋轉(zhuǎn)以在兩個通電極之間對齊。

“2相啟動”方法有一個四步電氣序列來旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

ORIENTALMOTOR的標(biāo)準(zhǔn)2相和2相M型電機(jī)采用“2phaseon”方式。

“2phaseon”方法比“1phaseon”方法有什么優(yōu)勢？答案是扭矩。在“1phaseon”方法中，一次只打開一相，因此我們有一個單位的扭矩作用在轉(zhuǎn)子上。在“2相”方法中，我們有兩個單位的扭矩作用在轉(zhuǎn)子上，1個在12點鐘位置，1個在3點鐘位置。如果我們將這兩個扭矩矢量加在一起，我們會得到一個45°的結(jié)果，幅度要大41.4%。通過使用“2phaseon”方法，我們可以獲得與“1phaseon”方法相同的步距角，但扭矩增加了41%。

五相電機(jī)有點不同。我們不使用“兩相開啟”方法，而是使用“四相開啟”方法。每次我們打開其中的4個相，電機(jī)就會走一步。

五相電機(jī)經(jīng)過10步電氣序列。

1-2PhasesOn（半步）

“1-2階段”方法或半步結(jié)合了前面兩種方法。在這種情況下，我們?yōu)锳相通電。轉(zhuǎn)子排成一行。此時，我們保持A相開啟并為B相通電?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)子同樣被吸引到中間的兩條線上。轉(zhuǎn)子已旋轉(zhuǎn)45°(0.9°)?，F(xiàn)在我們關(guān)閉A相，但保留B相。電機(jī)再走一步。等等等等。通過在一相和兩相之間交替，我們將步距角減半。請記住，步距角越小，振動越小。

（對于5相電機(jī)，我們在4相和5相之間交替開啟。）

半步模式具有八步電序列。對于采用“4-5相接通”方法的五相電機(jī)，電機(jī)經(jīng)過20步電氣序列。

微步

微步進(jìn)是一種使小步更小的方法。步長越小，分辨率越高，振動特性越好。在微步進(jìn)中，相位不是完全打開或完全關(guān)閉。它部分打開。正弦波應(yīng)用于A相和B相，相隔90°（在五相步進(jìn)電機(jī)中為0.9°）。

當(dāng)最大功率在A相時，B相為零。轉(zhuǎn)子將與A相對齊。隨著流向A相的電流減小，流向B相的電流增加。轉(zhuǎn)子將向B相移動微小的步幅，直到B相達(dá)到最大值且A相為零。該過程圍繞其他階段繼續(xù)進(jìn)行，我們有微步進(jìn)。

有一些與微步相關(guān)的問題，主要是精度和扭矩。由于相位只有部分通電，因此電機(jī)轉(zhuǎn)矩降低，通常降低約30%。也因為步之間的轉(zhuǎn)矩差太小，電機(jī)有時不能克服負(fù)載。在這些情況下，可能會命令電機(jī)在實際開始移動之前移動10步。在許多情況下，有必要使用增加價格的（編碼器）來關(guān)閉回路。

步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)

開環(huán)系統(tǒng)

閉環(huán)系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)

開環(huán)

步進(jìn)電機(jī)設(shè)計為開環(huán)系統(tǒng)。脈沖發(fā)生器向相序電路發(fā)送脈沖。相序器確定哪些相位需要關(guān)閉或打開，如全步和半步信息中所述。定序器控制大功率FET，然后轉(zhuǎn)動電機(jī)。

然而，對于開環(huán)系統(tǒng)，沒有位置驗證，也無法知道電機(jī)是否按照指令移動。

閉環(huán)

最流行的閉環(huán)方法是在雙軸電機(jī)的后軸上添加一個編碼器。編碼器由一個薄圓盤組成，上面有線條。光盤在發(fā)射器和接收器之間通過。每當(dāng)一條線出現(xiàn)在兩者之間時，就會在（信號）線上輸出一個脈沖。這些脈沖被反饋到控制器，控制器對它們進(jìn)行計數(shù)。通常，在移動結(jié)束時，控制器會將發(fā)送到驅(qū)動器的脈沖數(shù)與發(fā)送回的編碼器脈沖數(shù)進(jìn)行比較。通常會寫一個例程，如果兩個數(shù)字不同，則彌補(bǔ)差異。如果數(shù)字相同，則沒有錯誤發(fā)生并且運(yùn)動繼續(xù)。

這種方法有兩個缺點：成本（和復(fù)雜性）和響應(yīng)。編碼器的額外成本以及控制器復(fù)雜性的增加增加了系統(tǒng)成本。此外，由于修正（如果有的話）是在移動結(jié)束時完成的，因此可以將額外的時間添加到系統(tǒng)中。

伺服系統(tǒng)

另一種選擇是伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)通常是一種低極數(shù)電機(jī)，可提供高速但沒有固有的定位能力。要使其成為位置設(shè)備，需要反饋，通常是編碼器或分解器，以及控制回路。伺服基本上是打開和關(guān)閉的，直到（解析器）計數(shù)達(dá)到某個點。因此，伺服基于誤差工作。例如，命令伺服器移動100轉(zhuǎn)。解析器計數(shù)讀數(shù)為零，電機(jī)啟動。當(dāng)解析器計數(shù)達(dá)到100轉(zhuǎn)時，電機(jī)關(guān)閉。如果位置偏斜，電機(jī)將重新打開以使其回到原位。伺服如何響應(yīng)錯誤取決于增益設(shè)置。如果增益設(shè)置高，電機(jī)將非?？焖俚仨憫?yīng)任何誤差變化。如果增益設(shè)置較低，電機(jī)不會對誤差變化做出快速響應(yīng)。但是，任何涉及時間增益設(shè)置的時間延遲都會引入運(yùn)動（控制系統(tǒng)）。

AlphaStep閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)

AlphaStep是東方電機(jī)革命性的步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品。AlphaStep有一個提供位置反饋的內(nèi)置解析器。在所有時間點，我們都知道轉(zhuǎn)子在哪里。

AlphaStep驅(qū)動程序有一個輸入計數(shù)器。計算進(jìn)入驅(qū)動器的所有脈沖。解析器反饋到轉(zhuǎn)子位置計數(shù)器。偏差計數(shù)器中存在任何偏差。通