- 首頁(yè) >
小白也能看懂的步進(jìn)電機(jī)入門(mén)指南（PART 1）
小白也能看懂的步進(jìn)電機(jī)入門(mén)指南（PART 1）
步進(jìn)電機(jī)的定義步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步距角）。
您可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)您可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。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)可以用電源直接驅(qū)動(dòng)使用。它必須由控制器（步進(jìn)脈沖發(fā)生器），驅(qū)動(dòng)器（環(huán)形分配器+功率放大電路）組成驅(qū)動(dòng)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)。步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi)步進(jìn)電機(jī)從其結(jié)構(gòu)形式上可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（Variable Reluctance，VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)Permanent Magnet , PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（Hybrid, HB）。
反應(yīng)式：定子上有繞組、轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、步距角小，可達(dá)1.2°，但動(dòng)態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大，可靠性難保證。永磁式：永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機(jī)精度差，步矩角大（一般為7.5°或15°）。混合式：混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，其定子上有多相繞組、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個(gè)小齒以提高步矩精度。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好，步距角小（一般兩相1.8°或0.9°，三相1.2°或0.6° ，五相0.72°或0.36° ），但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對(duì)較高。步進(jìn)電機(jī)的工作原理A、安培定則（右手螺旋定則）用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通電螺線管的N極。B、磁鐵的特點(diǎn)同性相斥，異性相吸。步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造由轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體、轉(zhuǎn)軸、滾珠軸承），定子（繞組、定子鐵芯），前后端蓋組成。最典型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的定子有8個(gè)大齒，40個(gè)小齒，轉(zhuǎn)子有50個(gè)小齒；三相電機(jī)的定子有9個(gè)大齒，45個(gè)小齒，轉(zhuǎn)子有50個(gè)小齒。步進(jìn)電機(jī)主要參數(shù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)：電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有兩相、三相、五相步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的機(jī)座號(hào)：指電機(jī)的外徑（mm），混合式步進(jìn)電機(jī)一般有20、25、28、35、39、42、57、60、86、110、130、150等。步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移。額定電流：在保持正常溫度下，電機(jī)能夠安全運(yùn)行的限定電流，通常建議在額定電流的70%~90% 下使用。保持轉(zhuǎn)矩( HOLDING TORQUE )：步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。定位轉(zhuǎn)矩( DETENT TORQUE )：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩。運(yùn)行矩頻特性：電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線 。
步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)1、一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步距角的3-5%，且位置誤差不累積；2、步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)（絕緣等級(jí)），一般步進(jìn)電機(jī)耐熱絕緣等級(jí)為B級(jí)（130℃），所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。電機(jī)的絕緣等級(jí)一般有5等（A,E,B,F,H ）；3、步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，并且沒(méi)有過(guò)載能力（高頻無(wú)力，無(wú)過(guò)載能力）；4、即使在無(wú)勵(lì)磁的情況下，步進(jìn)電機(jī)也具有一定的自鎖能力。（DETENT TORQUE ）5、空載啟動(dòng)頻率：即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。 步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)速度一般在10~100RPM，伺服電機(jī)的啟動(dòng)速度一般在100~300RPM。根據(jù)電機(jī)大小和負(fù)載情況而定，大電機(jī)一般對(duì)應(yīng)較低的啟動(dòng)速度；6、低頻振動(dòng)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以連續(xù)的步距狀態(tài)邊移動(dòng)邊重復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。其步距狀態(tài)的移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生單步距響應(yīng) ，當(dāng)電機(jī)輸入頻率等于步進(jìn)電機(jī)的固有頻率時(shí)，產(chǎn)生共振。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然。
步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪聲大是其固有的缺點(diǎn)，克服兩相混合式步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)和噪聲方法： a、通過(guò)改變減速比等機(jī)械傳動(dòng)避開(kāi)共振區(qū)； b、采用帶有細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)器； c、換成步距角更小的步進(jìn)電機(jī)； d、選用電感較大的電機(jī)； e、換成交流伺服電機(jī)，幾乎可以完全克服震動(dòng)和噪聲，但成本高； f、采用小電流、低電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)； g、在電機(jī)軸上加磁性阻尼器； 7、中高頻穩(wěn)定性8、控制方便：轉(zhuǎn)速和脈沖頻率成正比，位移量與脈沖個(gè)數(shù)成正比。改變脈沖的頻率和個(gè)數(shù)可以控制轉(zhuǎn)速和位移，改變脈沖的順序可以改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。步進(jìn)電機(jī)單步響應(yīng)過(guò)程1、步進(jìn)電機(jī)收到單個(gè)步進(jìn)脈沖從靜止?fàn)顟B(tài)加速轉(zhuǎn)向下一個(gè)停止位置；2、電機(jī)加速通過(guò)停止位置，并過(guò)沖一個(gè)角度，然后被反向拉回；3、在電機(jī)內(nèi)部摩擦力的作用下，通過(guò)阻尼振蕩電機(jī)最終穩(wěn)定在設(shè)定的停止位置。步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行力矩速度自啟動(dòng)區(qū)域：電機(jī)可以直接啟動(dòng)和停止的區(qū)域。牽入力矩（啟動(dòng)力矩）：已勵(lì)磁電機(jī)能以一固定頻率啟動(dòng)和同步運(yùn)行而不丟步的最大轉(zhuǎn)矩。牽出力矩（運(yùn)行力矩）：在給定頻率下電機(jī)能同步運(yùn)行不丟步的最大轉(zhuǎn)矩。最大啟動(dòng)頻率：空載情況下，已勵(lì)磁電機(jī)直接啟動(dòng)而不丟步的最大頻率。最大運(yùn)行頻率：空載情況下，已勵(lì)磁電機(jī)運(yùn)行而不丟步的最大頻率。高效連續(xù)運(yùn)行區(qū)域：在此區(qū)域內(nèi)電機(jī)無(wú)法直接啟動(dòng)和停止。電機(jī)在此區(qū)域運(yùn)行必須經(jīng)過(guò)自啟動(dòng)區(qū)域，然后加速達(dá)到此工作區(qū)域。同理，在此區(qū)域內(nèi)也無(wú)法直接制動(dòng)，否則容易造成失步，必須先減速到自啟動(dòng)區(qū)域內(nèi)再制動(dòng)。
步進(jìn)電機(jī)選型原則步進(jìn)電機(jī)由保持力矩、轉(zhuǎn)速及步距角三大要素組成，一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了。1、保持力矩的選擇步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載確定電機(jī)的保持力矩（或叫靜力矩）。大致來(lái)說(shuō)，扭力在0.8N.m以下，選擇20、28、35、39、42（電機(jī)的機(jī)身直徑或方度，單位：MM）；扭力在1N.m左右的，選擇57電機(jī)較為合適。扭力在幾個(gè)N.m或更大的情況下，就要選擇86、110、130等規(guī)格的步進(jìn)電機(jī)。保持力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)（幾何尺寸）。2、轉(zhuǎn)速的選擇步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。就是說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)在低速情況下輸出轉(zhuǎn)矩較大，而在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩（1000rpm以上）就很小了。但是，有些工況需要高速電機(jī)，就要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的線圈電阻、電感等指標(biāo)進(jìn)行衡量。選擇電感稍小一些的電機(jī)，作為高速電機(jī)，能夠在高速獲得較大輸出轉(zhuǎn)矩。反之，要求低速大力矩的情況下，就要選擇電感在十幾或幾十mH，電阻也要大一些為好。3、步距角的選擇電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、0.6度/1.2度（三相電機(jī)）等。不同相數(shù)的電機(jī)，工作效果是不同的。相數(shù)越多，步距角就能夠做的比較小，工作時(shí)的振動(dòng)就相對(duì)小一些。大多數(shù)場(chǎng)合，使用兩相電機(jī)比較多。在高速大力矩的工作環(huán)境，選擇三相步進(jìn)電機(jī)是比較實(shí)用的。步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于各類(lèi)數(shù)字定位和調(diào)速系統(tǒng)，如：各類(lèi)打印機(jī)，掃描儀各種辦公化設(shè)備/檢驗(yàn)分析儀器及各類(lèi)醫(yī)療器械/通訊設(shè)備/X-Y平臺(tái)和各類(lèi)半導(dǎo)體、電子自動(dòng)化生產(chǎn)檢測(cè)設(shè)備/印刷設(shè)備、成像設(shè)備/閥門(mén)控制/舞臺(tái)燈光、監(jiān)控設(shè)備。
