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小白也能看懂的步進(jìn)電機(jī)入門指南（PART 1）
小白也能看懂的步進(jìn)電機(jī)入門指南（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，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，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)動器就是為步進(jìn)電機(jī)分時供電的，多相時序控制器。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)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步距角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，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)動使用。它必須由控制器（步進(jìn)脈沖發(fā)生器），驅(qū)動器（環(huán)形分配器+功率放大電路）組成驅(qū)動控制系統(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)等許多專業(yè)知識。步進(jìn)電機(jī)的分類步進(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)簡單、成本低、步距角小，可達(dá)1.2，但動態(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小齒以提高步矩精度。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動態(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個大齒，40個小齒，轉(zhuǎn)子有50個小齒；三相電機(jī)的定子有9個大齒，45個小齒，轉(zhuǎn)子有50個小齒。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：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：對應(yīng)一個脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移。
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)通電但沒有轉(zhuǎn)動時，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)在某種測試條件下測得運(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），一般步進(jìn)電機(jī)耐熱絕緣等級為B級（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)的絕緣等級一般有5等（A,E,B,F,H ）；
3、步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，并且沒有過載能力（高頻無力，無過載能力）；
4、即使在無勵磁的情況下，步進(jìn)電機(jī)也具有一定的自鎖能力。（DETENT TORQUE ）
5、空載啟動頻率：即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。 步進(jìn)電機(jī)的啟動速度一般在10~100RPM，伺服電機(jī)的啟動速度一般在100~300RPM。根據(jù)電機(jī)大小和負(fù)載情況而定，大電機(jī)一般對應(yīng)較低的啟動速度；
6、低頻振動：步進(jìn)電動機(jī)以連續(xù)的步距狀態(tài)邊移動邊重復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。其步距狀態(tài)的移動會產(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，產(chǎn)生共振。電機(jī)驅(qū)動電壓越高，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)動時振動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)時的振動和噪聲方法：
a、通過改變減速比等機(jī)械傳動避開共振區(qū)；
b、采用帶有細(xì)分功能的驅(qū)動器；
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和噪聲，但成本高；
f、采用小電流、低電壓來驅(qū)動；
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，位移量與脈沖個數(shù)成正比。改變脈沖的頻率和個數(shù)可以控制轉(zhuǎn)速和位移，改變脈沖的順序可以改變轉(zhuǎn)動的方向。
步進(jìn)電機(jī)單步響應(yīng)過程
1、步進(jìn)電機(jī)收到單個步進(jìn)脈沖從靜止?fàn)顟B(tài)加速轉(zhuǎn)向下一個停止位置；
2、電機(jī)加速通過停止位置，并過沖一個角度，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)動態(tài)運(yùn)行力矩速度自啟動區(qū)域：電機(jī)可以直接啟動和停止的區(qū)域。牽入力矩（啟動力矩）：已勵磁電機(jī)能以一固定頻率啟動和同步運(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。最大啟動頻率：空載情況下，已勵磁電機(jī)直接啟動而不丟步的最大頻率。最大運(yùn)行頻率：空載情況下，已勵磁電機(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)無法直接啟動和停止。電機(jī)在此區(qū)域運(yùn)行必須經(jīng)過自啟動區(qū)域，然后加速達(dá)到此工作區(qū)域。同理，在此區(qū)域內(nèi)也無法直接制動，否則容易造成失步，必須先減速到自啟動區(qū)域內(nèi)再制動。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)的型號便確定下來了。
1、保持力矩的選擇步進(jìn)電機(jī)的動態(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）。大致來說，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)座及長度便能確定下來（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，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，工作時的振動就相對小一些。大多數(shù)場合，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)用于各類數(shù)字定位和調(diào)速系統(tǒng)，如：各類打印機(jī)，掃描儀各種辦公化設(shè)備/檢驗(yàn)分析儀器及各類醫(yī)療器械/通訊設(shè)備/X-Y平臺和各類半導(dǎo)體、電子自動化生產(chǎn)檢測設(shè)備/印刷設(shè)備、成像設(shè)備/閥門控制/舞臺燈光、監(jiān)控設(shè)備。
