深度剖析步進電機

　　步進電機因其在速度和位置控制精度上的優(yōu)秀性能，在電機行業(yè)中應用廣泛。對于步進電機的架構和驅動方式、工作原理、應用中的注意事項，我們將進行深度剖析。

　　步進電機是一種作為控制用的特種電機, 它的旋轉是以固定的角度(稱為"步距角")一步一步運行的, 其特點是沒有積累誤差(精度為100%), 所以廣泛應用于各種開環(huán)控制。步進電機的運行要有一電子裝置進行驅動, 這種裝置就是步進 電機驅動器, 它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的 脈沖信號轉化為步進電機的角位移, 或者說: 控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號, 通過驅動器就使步進電機旋轉一步距角，所以步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比。因此控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精確調速;控制步進脈沖的個數(shù)，可以對電機精確定位目的。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。

　　一、步進電機的構造(以五相步進電機為例)

　　步進電機的構造如下圖所示，大致分為定子和轉子兩部分。轉子由轉子1、轉子2和永久磁鋼組成。

　　定子擁有小齒狀的磁極，共有 10個，皆繞有線圈。 其線圈的對角位置的磁極相互連接著，電流流通后，線圈即會被磁 化成同一極性。(例如某一線圈經由電流的流通后，對角線的磁極將 同化成 S 極或 N 極。) 對角線的 2個磁極形成 1個相，而由于有 A相至 E相等 5個 相位，因此稱為 5 相步進 電動機。

　　轉子的外圈由 50個小齒構成，轉子 1 和轉子 2 的小齒于構造上互 相錯開 1/2 螺距。由此轉子形成了100個小齒。目前已經有轉子單個加工至100齒的高分辨率型，那么高分辨率型的轉子就有200個小齒。因此其機械上就可以實現(xiàn)普通步進電機半步(普通步進電機半步需要電氣細分達到)的分辨率。

　　二、 步進電機工作原理

　　當電流流過定子繞組時，定子繞組產生一矢量磁場。該磁場會帶動轉子旋轉一角度，使得轉子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉一個角度。轉子也隨著該磁場轉一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉動。

　　三、步進電機的控制

　　步進電機驅動方式有三種基本的驅動模式：整步、半步、細分。其主要區(qū)別在于電機線圈電流的控制精度(即激磁方式)。通常步進電機都有低頻振動的特點，通過細分調協(xié)可以改善電機低速動運行的平衡性。下面給大家詳細介紹一下：

　　1、整步驅動

　　在整步運行中，同一種步進電機既可配整/半步驅動器也可配細分驅動器，但運行效果不同。步進電機驅動器按脈沖/方向指令對兩相步進電機的兩個線圈循環(huán)激磁(即將線圈充電設定電流)，這種驅動方式的每個脈沖將使電機移動一個基本步距角，即1.80度 (標準兩相電機的一圈共有200個步距角)。

　　2、半步驅動

　　在單相激磁時，電機轉軸停至整步位置上，驅動器收到下一脈沖后，如給另一相激磁且保持原來相繼處在激磁狀態(tài)，則電機轉軸將移動半個步距角，停在相鄰兩個整步位置的中間。如此循環(huán)地對兩相線圈進行單相然后雙相激磁步進電機將以每個脈沖0.90度的半步方式轉動。和整步方式相比，半步方式具有精度高一倍和低速運行時振動較小的優(yōu)點，所以實際使用整/半步驅動器時一般選用半步模式。

　　3、細分驅動

　　細分驅動模式具有低速振動極小和定位精度高兩大優(yōu)點。對于有時需要低速運行(即電機轉軸有時工作在60rpm以下)或定位精度要求小于0.90度的步進應用中，細分驅動器獲得廣泛應用。

　　其基本原理是對電機的兩個線圈分別按正弦和 余弦形的臺階進行精密電流控制，從而使得一個步距角的距離分成若干個細分步完成。例如十六細分的驅動方式可使每圈200標準步的步進電機達到每圈200*16=3200步的運行精度(即0.1125°)。

　　四、應用中的注意點

　　1、步進電機應用于低速場合---每分鐘轉速不超過1000轉，(0.9度時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，此時電機工作效率高，噪音低。

　　2、步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。

　　3、轉動慣量大的負載應選擇大機座號電機。

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

　　5、高精度時，應通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數(shù)的驅動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產廠家少。

　　五、步進電機測試注意點

　　根據(jù)國標GB/T 20638-2006，對于步進電機的測試我們一般需要關注反電動勢常數(shù)、保持轉矩、繞組溫升、矩角特性測試、牽出轉矩、最高反轉頻率等測試。

　　對于反電動勢常數(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勢常數(shù)。對于牽出轉矩的測試，對于大基座的步進電機，一般采用磁粉制動器和電機測試平臺來進行測試，小基座的步進電機采用彈簧秤和繩子的組合方法來測試。MPT電機測試系統(tǒng)目前針對步進電機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)設計的步進電機。