【圖】什么叫步進電機?步進電機的特點及種類
(2023/12/15 18:00:00)
什么叫步進電機?步進電機的特點及種類
什么叫步進電機?步進電機的特點及種類
一 步進電機的定義
步進電機又稱電脈沖馬達。它是將電脈沖信號轉換成機械角位移的執行元件。
輸入一個電脈沖就轉動一步，即每當電機繞組接受一個電脈沖，轉子就轉過一個相應的步距角。
轉子的角位移的大小及轉速分別與輸入的電脈沖數及其頻率成正比。并在時間上與輸入脈沖同步。
只要控制輸入電脈沖的數量、頻率以及電機繞組通電相序即可獲得所需的轉角、轉速及轉向，很容易用微機實現數字控制。
二 步進電機的特點
步進電機的工作狀態不易受各種干擾因素(如電源電壓的波動、電流的大小與波形的變化、溫度等)的影響，只要在它們的大小未引起步進電機產生“丟步”現象之前，就不影響其正常工作；
步進電機的步距角有誤差，轉子轉過一定步數以后也會出現累積誤差，但轉子轉過一轉以后，其累積誤差為“零”，不會長期積累。
控制性能好。
步進電機被廣泛應用于開環結構的機電一體化系統，使系統簡化，如簡易數控系統。
三 步進電機的種類
（1）可變磁阻型(VR型——Variable Reluctivity Type)又稱作反應式步進電機
其定子與轉子由鐵芯構成，沒有永久磁鐵，定子上嵌有線圈．轉于在定子與轉子磁阻最小位置上轉動，并由此而得名可變磁阻型。
這類電機的轉子結構簡單、轉子直徑小，有利于高速響應。由于 該類電機的定子與轉子均不含永久磁鐵，故無勵磁時沒有保持力。
這種電機具有制造成本高、效率低、轉子的阻尼差、噪聲大等缺點。
制造材料費用低、結構簡單、步距角小。
（2）永磁型(PM型一Permanent Magnet Type)
PM型步進電機的轉子采用永久磁鐵、定于采用軟磁鋼制成，繞組輪流通電，建立的磁場與永久磁鐵的恒定磁場相互吸引與排斥產生轉矩。這種電機由于采用了永久磁鐵，即使定子繞組斷電也能保持一定轉矩，故具有記憶能力，可用作定位驅動。PM型電機的特點是勵磁功率小、效率高、造價便宜，因此需要量也大。由于轉子磁鐵的磁化間距受到限制，難于制造，故步距角較大。與VR型相比轉矩大，但轉子慣量也較大。
（3）混合型(HB型一Hybrid Type)
轉子導磁體上嵌有永久磁鐵，可以說是永磁型和可變磁阻型相結合的一種形式。故稱為混合型步進電機。
它不僅具有VR型步進電機步距角小、響應頻率高的優點，而且還具有PM型步進電機勵磁功率小、效率高的優點，是一種很有發展前途的步進電機。
四 步進電機的工作原理
（1）單三拍
（2）三相六拍
五 步進電動機的主要性能指標
最大靜轉矩Mjmax(N·m) 它表示了步進電機承受負載的能力。Mjmax越大，其帶負載能力越強，運行的快速性及穩定性也越好。
空載起動頻率fq(步/秒) 它是衡量步進電機快速性能的重要技術數據。
起動矩頻特性起動頻率fq隨負載力矩M下降的關系曲線稱為起動矩頻特性
空載運行頻率fmax(步/秒)
運行矩頻特性 它是衡量步進電機運轉時承載能力的動態性能指標。
六 步進電機驅動器
(1)環形脈沖分配器。
步進電機的各相繞組必須按一定的順序通電才能正常工作。這種使電機繞組的通電順序按一定規律變化的部分稱為脈沖分配器，又稱環形脈沖分配器。
(2)功率放大器。
從計算機輸出口或從環形分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾個毫安，不能直接驅動步進電機，必須采用功率放大器將脈沖電流進行放大，使其增大到幾至十幾安培，從而驅動步進電機運轉。由于電機各相繞組部是繞在鐵芯上的線圈，所以電感較大，繞組通電時，電流上升率受到限制。因而影響電機繞組電流的大小。繞組斷電時，電感中磁場的儲能元件將維持繞組中已有的電流不能突變，在繞組斷電時會產生反電動勢．為使電流盡快衰減，并釋放反電動勢，必須增加適當的續流回路。 步進電機所使用的功率放大電路有電壓型和電流型。電壓型又有單電壓型、雙電壓型(高低壓型)。電流型中有恒流驅動、斬波驅動等。
七 步進電機的控制
步進電機的控制電路可以采用硬件方式構成，這種情況下，如果需要變動控制功能，則又須重新設計硬件電路，因此靈活性差、調整困難。計算機數控技術為步進電機的控制開辟了新的途徑。原來由硬件線路實現的控制，都可方便地由相應的計算機程序模塊來實現。這樣不但使控制功能增強，使電路簡化、成本降低，而且可靠性也大大提高。
（1）速度控制
引起步進電機的失步的原因有兩種，一種是由于過載所致，另一種是啟、停過程中的升速運動。速度控制就是如何使步進電機快速不失步地升頻到高的工作頻率，不失步地快速降至停止狀態。
定時法
定步法
（2）位置控制
對步進電機實現位置控制的方法是，首先按照機械傳動關系，求出絲桿位移量與步進電機轉角的關系，從而得到一定直線位移量所對應的步進電機轉角，并根據步距角的大小換算為步進電機所應轉過的步數，將該步數賦給一變量，當電機每進給一步，控制程序自動完成減一運算，并判斷是否為零。如不為零，則繼續進給加工；若為零，則停止進給加工，即停止電機的運行。
什么叫步進電機?步進電機的特點及種類
一 步進電機的定義
步進電機又稱電脈沖馬達。它是將電脈沖信號轉換成機械角位移的執行元件。
輸入一個電脈沖就轉動一步，即每當電機繞組接受一個電脈沖，轉子就轉過一個相應的步距角。
轉子的角位移的大小及轉速分別與輸入的電脈沖數及其頻率成正比。并在時間上與輸入脈沖同步。
只要控制輸入電脈沖的數量、頻率以及電機繞組通電相序即可獲得所需的轉角、轉速及轉向，很容易用微機實現數字控制。
二 步進電機的特點
步進電機的工作狀態不易受各種干擾因素(如電源電壓的波動、電流的大小與波形的變化、溫度等)的影響，只要在它們的大小未引起步進電機產生“丟步”現象之前，就不影響其正常工作；
步進電機的步距角有誤差，轉子轉過一定步數以后也會出現累積誤差，但轉子轉過一轉以后，其累積誤差為“零”，不會長期積累。
控制性能好。
步進電機被廣泛應用于開環結構的機電一體化系統，使系統簡化，如簡易數控系統。
三 步進電機的種類
（1）可變磁阻型(VR型——Variable Reluctivity Type)又稱作反應式步進電機
其定子與轉子由鐵芯構成，沒有永久磁鐵，定子上嵌有線圈．轉于在定子與轉子磁阻最小位置上轉動，并由此而得名可變磁阻型。
這類電機的轉子結構簡單、轉子直徑小，有利于高速響應。由于 該類電機的定子與轉子均不含永久磁鐵，故無勵磁時沒有保持力。
這種電機具有制造成本高、效率低、轉子的阻尼差、噪聲大等缺點。
制造材料費用低、結構簡單、步距角小。
（2）永磁型(PM型一Permanent Magnet Type)
PM型步進電機的轉子采用永久磁鐵、定于采用軟磁鋼制成，繞組輪流通電，建立的磁場與永久磁鐵的恒定磁場相互吸引與排斥產生轉矩。這種電機由于采用了永久磁鐵，即使定子繞組斷電也能保持一定轉矩，故具有記憶能力，可用作定位驅動。PM型電機的特點是勵磁功率小、效率高、造價便宜，因此需要量也大。由于轉子磁鐵的磁化間距受到限制，難于制造，故步距角較大。與VR型相比轉矩大，但轉子慣量也較大。
（3）混合型(HB型一Hybrid Type)
轉子導磁體上嵌有永久磁鐵，可以說是永磁型和可變磁阻型相結合的一種形式。故稱為混合型步進電機。
它不僅具有VR型步進電機步距角小、響應頻率高的優點，而且還具有PM型步進電機勵磁功率小、效率高的優點，是一種很有發展前途的步進電機。
四 步進電機的工作原理
（1）單三拍
（2）三相六拍
五 步進電動機的主要性能指標
最大靜轉矩Mjmax(N·m) 它表示了步進電機承受負載的能力。Mjmax越大，其帶負載能力越強，運行的快速性及穩定性也越好。
空載起動頻率fq(步/秒) 它是衡量步進電機快速性能的重要技術數據。
起動矩頻特性起動頻率fq隨負載力矩M下降的關系曲線稱為起動矩頻特性
空載運行頻率fmax(步/秒)
運行矩頻特性 它是衡量步進電機運轉時承載能力的動態性能指標。
六 步進電機驅動器
(1)環形脈沖分配器。
步進電機的各相繞組必須按一定的順序通電才能正常工作。這種使電機繞組的通電順序按一定規律變化的部分稱為脈沖分配器，又稱環形脈沖分配器。
(2)功率放大器。
從計算機輸出口或從環形分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾個毫安，不能直接驅動步進電機，必須采用功率放大器將脈沖電流進行放大，使其增大到幾至十幾安培，從而驅動步進電機運轉。由于電機各相繞組部是繞在鐵芯上的線圈，所以電感較大，繞組通電時，電流上升率受到限制。因而影響電機繞組電流的大小。繞組斷電時，電感中磁場的儲能元件將維持繞組中已有的電流不能突變，在繞組斷電時會產生反電動勢．為使電流盡快衰減，并釋放反電動勢，必須增加適當的續流回路。 步進電機所使用的功率放大電路有電壓型和電流型。電壓型又有單電壓型、雙電壓型(高低壓型)。電流型中有恒流驅動、斬波驅動等。
七 步進電機的控制
步進電機的控制電路可以采用硬件方式構成，這種情況下，如果需要變動控制功能，則又須重新設計硬件電路，因此靈活性差、調整困難。計算機數控技術為步進電機的控制開辟了新的途徑。原來由硬件線路實現的控制，都可方便地由相應的計算機程序模塊來實現。這樣不但使控制功能增強，使電路簡化、成本降低，而且可靠性也大大提高。
（1）速度控制
引起步進電機的失步的原因有兩種，一種是由于過載所致，另一種是啟、停過程中的升速運動。速度控制就是如何使步進電機快速不失步地升頻到高的工作頻率，不失步地快速降至停止狀態。
定時法
定步法
（2）位置控制
對步進電機實現位置控制的方法是，首先按照機械傳動關系，求出絲桿位移量與步進電機轉角的關系，從而得到一定直線位移量所對應的步進電機轉角，并根據步距角的大小換算為步進電機所應轉過的步數，將該步數賦給一變量，當電機每進給一步，控制程序自動完成減一運算，并判斷是否為零。如不為零，則繼續進給加工；若為零，則停止進給加工，即停止電機的運行。
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