步進電機的原理

小偉

★★1.什么是步進電機?
▲步進電機是一種將數字脈沖信號轉化為角位移的執行機構。也就是說，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步進角、步距角）。您可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。
★★2.步進電機分哪幾種?
◎步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應式（VR）和混合式（HB）
▲永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；
▲反應式步進電機一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為0.75度。輸出轉矩較大，轉速也比較高。這種電機，在機床上使用較多。
▲混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相、三相、四相和五相：兩相（四相）步距角一般為1.8度，三相步距角通常為1.2度，而五相步進角多為 0.72度。目前，混合式步進電機的應用最為廣泛。
★★3.什么是保持轉矩（HOLDING TORQUE）?
▲保持轉矩（HOLDING TORQUE）是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機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，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進電機。
★★4.什么是DETENT TORQUE?
▲DETENT TORQUE 是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。通常稱為“定位力矩”。 DETENT TORQUE 在國內沒有統一的翻譯方式，容易使大家產生誤解；由于反應式步進電機的轉子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。
★★5.步進電機精度為多少？是否累積?
▲一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。
★★6.步進電機的外表溫度允許達到多少?
▲步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
★★7.為什么步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降?
▲當步進電機轉動時，電機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，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。
8.為什么步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲?
▲步進電機有一個技術參數：空載啟動頻率，即步進電機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，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。
★★9.如何克服兩相混合式步進電機在低速運轉時的振動和噪聲?
▲步進電機低速轉動時振動和噪聲大是其固有的缺點，一般可采用以下方案來克服：
◆A.如步進電機正好工作在共振區，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區；
◆B.采用帶有細分功能的驅動器，這是最常用的、最簡便的方法；
◆C.換成步距角更小的步進電機，如三相或五相步進電機；
◆D.換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高；
◆E.在電機軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產品，但機械結構改變較大。
★★10.細分驅動器的細分數是否能代表精度?
▲步進電機的細分技術實質上是一種電子阻尼技術（請參考有關文獻），其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉精度只是細分技術的一個附帶功能。比如對于步進角1.8° 的兩相混合式步進電機，如果細分驅動器的細分數設置為4，那么電機的運轉分辨率為每個脈沖0.45°，電機的精度能否達到或接0.45°，還取決于細分驅動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅動器精度可能差別很大；細分數越大精度越難控制。
★★11.四相混合式步進電機與驅動器的串聯接法和并聯接法有什么區別?
▲四相混合式步進電機能夠采用單極性驅動和雙極性驅動兩種方式。例如：HSM8672驅動器是單極性驅動，HSM1524-8驅動器是雙極性驅動。通常用兩相驅動器就能夠驅動四相步進電機。因此，連接時可以采用串聯接法或并聯接法將四相電機接成兩相使用。串聯接法一般在電機轉速較低的場合使用，此時需要的驅動器輸出電流為電機相電流的0.7倍，因而電機發熱小；并聯接法一般在電機轉速較高的場合使用（又稱高速接法），所需要的驅動器輸出電流為電機相電流的1.4倍，因而電機發熱較大。
★★12.如何確定步進電機驅動器的直流供電電源?
▲A.電壓的確定：混合式步進電機驅動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍（例如HSM1524-8的供電電壓為8～40VDC），電源電壓通常根據電機的工作轉速和響應要求來選擇。如果電機工作轉速較高或響應要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅動器。
▲B.電流的確定：供電電源電流一般根據驅動器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源，電源電流一般可取I 的1.1～1.3倍；如果采用開關電源，電源電流一般可取I 的1.5～2.0倍。
13.混合式步進電機驅動器的脫機信號FREE一般在什么情況下使用?
▲當脫機信號FREE為低電平時，驅動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉子處于自由狀態（脫機狀態）。在有些自動化設備中，如果在驅動器不斷電的情況下要求直接轉動電機軸（手動方式），就可以將FREE信號置低，使電機脫機，進行手動操作或調節。手動完成后，再將FREE信號置高，以繼續自動控制。
★★14.如何用簡單的方法調整兩相步進電機通電后的轉動方向?
▲只需將電機與驅動器接線的A+和A-（或者B+和B-）對調即可。
★★15.步進電機驅動器的細分原理是什么？
◆用于自動化運動控制系統中的步進電機，主要有二相、三相、四相、五相混合式步進電機。步進電機必須匹配相應驅動器，才能夠接受控制器（CPU、PLC等）的數字信號。為了降低步進電機工作噪音，通常使用細分驅動器，尤其是在低速工作狀態時比較明顯。
◆很多人對“細分”還不是特別了解，有的只是認為，細分是為了提高精 度，其實不然，細分主要是改善電機的運行性能，現說明如下：步進電機的細分控制是由驅動器精確控制步進電機的相電流來實現的，以二相電機為例，假如電機的額定相電流為3A ，如果使用常規驅動器（如常用的恒流斬波方式）驅動該電機，電機每運行一步，其繞組內的電流將從0突變為3A 或從3A 突變到0，相電流的巨大變化，必然會引起電機運行的振動和噪音。如果使用細分驅動器，在10細分的狀態下驅動該電機，電機每運行一微步，其繞組內的電流變化只有0.3A 而不是3A ，且電流是以正弦曲線規律變化，這樣就大大的改善了電機的振動和噪音，因此，在性能上的優點才是細分的真正優點。由于細分驅動器要精確控制電機的相電流，所以對驅動器要有相當高的技術要求和工藝要求，成本亦會較高。注意，國內有一些驅動器采用“平滑”來取代細分，有的亦稱為細分，但這不是真正的細分，望廣大用戶一定要分清兩者的本質不同：
1．“平滑”并不精確控制電機的相電流，只是把電流的變化率變緩一些，所以“平 滑”并不產生微步，而細分的微步是可以用來精確定位的。
2．電機的相電流被平滑后，會引起電機力矩的下降，而細分控制不但不會引起電機力矩的下降，相反，力矩會有所增加。
★ ★16.單極性驅動器與雙極性驅動器能否通用？
◆單極性驅動器不能代替雙極性驅動器使用，而雙極性驅動器能夠代替單極性驅動器使用。由于兩種驅動器的電流分配方式不同，其驅動步進電機的效果也不一樣。單極性驅動器（例如：HSM8672），是專門用于采用單極性接法的四相步進電機。例如有五線、六線、八線幾種引線方式四相步進電機，既能夠使用單極性驅動器，又能夠使用雙極性驅動器（例如：HSM1524-8）。但是，要達到最佳效率，還是針對性地選擇驅動器為好。

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我還要努力學習，很多地方都不懂

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