步進(jìn)電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩與定位轉(zhuǎn)矩概念解析

　　步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，基于最基本的電磁鐵原理，它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，其動作原理是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。其原始模型是起源于年至年間。年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氫弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)中。這被認(rèn)為是最初的步進(jìn)電機(jī)。二十世紀(jì)初，在電話自動交換機(jī)中廣泛使用了步進(jìn)電機(jī)。由于西方資本主義列強(qiáng)爭奪殖民地，步進(jìn)電機(jī)在缺乏交流電源的船舶和飛機(jī)等獨(dú)立系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。二十世紀(jì)五十年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，對于數(shù)字化的控制變得更為容易。到了八十年代后，由于廉價的微型計算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)的控制方式更加靈活多樣。

　　步進(jìn)電機(jī)相對于其它控制用途電機(jī)的最大區(qū)別是，它接收數(shù)字控制信號電脈沖信號并轉(zhuǎn)化成與之相對應(yīng)的角位移或直線位移，它本身就是一個完成數(shù)字模式轉(zhuǎn)化的執(zhí)行元件。而且它可開環(huán)位置控制，輸入一個脈沖信號就得到一個規(guī)定的位置增量，這樣的所謂增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流控制系統(tǒng)相比，其成本明顯減低，幾乎不必進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整。步進(jìn)電機(jī)的角位移量與輸入的脈沖個數(shù)嚴(yán)格成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數(shù)量、頻率和電機(jī)繞組的相序，即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、速度和方向。

　　我國的步進(jìn)電機(jī)在二十世紀(jì)七十年代初開始起步，七十年代中期至八十年代中期為成品發(fā)展階段，新品種和高性能電機(jī)不斷開發(fā)，目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是永磁材料、半導(dǎo)體技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使步進(jìn)電機(jī)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

　　作為一種控制用的特種電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)無法直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅(qū)動電源步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。在微電子技術(shù)，特別計算機(jī)技術(shù)發(fā)展以前，控制器脈沖信號發(fā)生器完全由硬件實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)采用單獨(dú)的元件或者集成電路組成控制回路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計電路。這就使得需要針對不同的電機(jī)開發(fā)不同的驅(qū)動器，開發(fā)難度和開發(fā)成本都很高，控制難度較大，限制了步進(jìn)電機(jī)的推廣。

　　由于步進(jìn)電機(jī)是一個把電脈沖轉(zhuǎn)換成離散的機(jī)械運(yùn)動的裝置，具有很好的數(shù)據(jù)控制特性，因此，計算機(jī)成為步進(jìn)電機(jī)的理想驅(qū)動源，隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，軟硬件結(jié)合的控制方式成為了主流，即通過程序產(chǎn)生控制脈沖，驅(qū)動硬件電路。單片機(jī)通過軟件來控制步進(jìn)電機(jī)，更好地挖掘出了電機(jī)的潛力。因此，用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代趨。

　　步進(jìn)電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩與定位轉(zhuǎn)矩

　　保持轉(zhuǎn)距是指電機(jī)各相繞組通額定電流，且處于靜態(tài)鎖定狀態(tài)時，電機(jī)所能輸出的最大轉(zhuǎn)距。是電機(jī)選型時最重要的參數(shù)之一。

　　定位轉(zhuǎn)距是指電機(jī)各相繞組不通電且處于開路狀態(tài)時，由于混合式電機(jī)轉(zhuǎn)子上有永磁材料產(chǎn)生磁場，從而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)距。一般定位轉(zhuǎn)距遠(yuǎn)小于保持轉(zhuǎn)距。是否存在定位轉(zhuǎn)距是混合式步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的重要標(biāo)志。

　　步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一， 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。

　　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)。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（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^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。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差（精度為100%）的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。

　　現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。

　　永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度； 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

　　混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，也是本次細(xì)分驅(qū)動方案所選用的步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的一些基本參數(shù)；

　　電機(jī)固有步距角：

　　它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。電機(jī)出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機(jī)給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），這個步距角可以稱之為‘電機(jī)固有步距角’，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)：

　　是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細(xì)分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動器，則‘相數(shù)’將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。

　　保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）：

　　是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。

　　定位轉(zhuǎn)矩（DETENT TORQUE）：

　　是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT TORQUE 在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。 步進(jìn)電機(jī)的一些特點(diǎn)：

　　1．一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。 2．步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。

　　步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

　　3．步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。

　　當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。

　　4．步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。 步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：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)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 步進(jìn)電動機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。