深度剖析步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)因其在速度和位置控制精度上的優(yōu)秀性能，在電機(jī)行業(yè)中應(yīng)用廣泛。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的架構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式、工作原理、應(yīng)用中的注意事項(xiàng)，我們將進(jìn)行深度剖析。

步進(jìn)電機(jī)是一種作為控制用的特種電機(jī), 它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度(稱為"步距角")一步一步運(yùn)行的, 其特點(diǎn)是沒有積累誤差(精度為100%), 所以廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng), 這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器, 它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移, 或者說: 控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào), 通過驅(qū)動(dòng)器就使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角，所以步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比。因此控制步進(jìn)脈沖信號(hào)的頻率，可以對(duì)電機(jī)精確調(diào)速;控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)，可以對(duì)電機(jī)精確定位目的。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)來控制變的非常的簡單。

一、步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造(以五相步進(jìn)電機(jī)為例)

步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造如下圖所示，大致分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子1、轉(zhuǎn)子2和永久磁鋼組成。

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，因此稱為 5 相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

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 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。

二、步進(jìn)電機(jī)工作原理

當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

三、步進(jìn)電機(jī)的控制

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式有三種基本的驅(qū)動(dòng)模式：整步、半步、細(xì)分。其主要區(qū)別在于電機(jī)線圈電流的控制精度(即激磁方式)。通常步進(jìn)電機(jī)都有低頻振動(dòng)的特點(diǎn)，通過細(xì)分調(diào)協(xié)可以改善電機(jī)低速動(dòng)運(yùn)行的平衡性。下面給大家詳細(xì)介紹一下：

1、整步驅(qū)動(dòng)

在整步運(yùn)行中，同一種步進(jìn)電機(jī)既可配整/半步驅(qū)動(dòng)器也可配細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，但運(yùn)行效果不同。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器按脈沖/方向指令對(duì)兩相步進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)線圈循環(huán)激磁(即將線圈充電設(shè)定電流)，這種驅(qū)動(dòng)方式的每個(gè)脈沖將使電機(jī)移動(dòng)一個(gè)基本步距角，即1.80度 (標(biāo)準(zhǔn)兩相電機(jī)的一圈共有200個(gè)步距角)。

2、半步驅(qū)動(dòng)

在單相激磁時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸停至整步位置上，驅(qū)動(dòng)器收到下一脈沖后，如給另一相激磁且保持原來相繼處在激磁狀態(tài)，則電機(jī)轉(zhuǎn)軸將移動(dòng)半個(gè)步距角，停在相鄰兩個(gè)整步位置的中間。如此循環(huán)地對(duì)兩相線圈進(jìn)行單相然后雙相激磁步進(jìn)電機(jī)將以每個(gè)脈沖0.90度的半步方式轉(zhuǎn)動(dòng)。和整步方式相比，半步方式具有精度高一倍和低速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較小的優(yōu)點(diǎn)，所以實(shí)際使用整/半步驅(qū)動(dòng)器時(shí)一般選用半步模式。

3、細(xì)分驅(qū)動(dòng)

細(xì)分驅(qū)動(dòng)模式具有低速振動(dòng)極小和定位精度高兩大優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于有時(shí)需要低速運(yùn)行(即電機(jī)轉(zhuǎn)軸有時(shí)工作在60rpm以下)或定位精度要求小于0.90度的步進(jìn)應(yīng)用中，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器獲得廣泛應(yīng)用。

其基本原理是對(duì)電機(jī)的兩個(gè)線圈分別按正弦和余弦形的臺(tái)階進(jìn)行精密電流控制，從而使得一個(gè)步距角的距離分成若干個(gè)細(xì)分步完成。例如十六細(xì)分的驅(qū)動(dòng)方式可使每圈200標(biāo)準(zhǔn)步的步進(jìn)電機(jī)達(dá)到每圈200*16=3200步的運(yùn)行精度(即0.1125°)。

四、應(yīng)用中的注意點(diǎn)

1、步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，(0.9度時(shí)6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度)間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。

2、步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。

3、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號(hào)電機(jī)。

4、電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。

5、高精度時(shí)，應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器來解決，也可以采用5相電機(jī)，不過其整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少。

五、步進(jìn)電機(jī)測試注意點(diǎn)

根據(jù)國標(biāo)GB/T 20638-2006，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的測試我們一般需要關(guān)注反電動(dòng)勢常數(shù)、保持轉(zhuǎn)矩、繞組溫升、矩角特性測試、牽出轉(zhuǎn)矩、最高反轉(zhuǎn)頻率等測試。

對(duì)于反電動(dòng)勢常數(shù)的測試，可以采用功率分析儀的測試方法直接在儀器上得出反電動(dòng)勢常數(shù)。對(duì)于牽出轉(zhuǎn)矩的測試，對(duì)于大基座的步進(jìn)電機(jī)，一般采用磁粉制動(dòng)器和電機(jī)測試平臺(tái)來進(jìn)行測試，小基座的步進(jìn)電機(jī)采用彈簧秤和繩子的組合方法來測試。MPT電機(jī)測試系統(tǒng)目前針對(duì)步進(jìn)電機(jī)的測試可以提供整體的測試方案和測試系統(tǒng)，幫助工程師快速完善研發(fā)設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)。