步進(jìn)電機(jī)原理及術(shù)語

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(dòng)化設(shè)備中。步進(jìn)
電機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)不同之處在于它是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它同時(shí)完成兩個(gè)
工作：一是傳遞轉(zhuǎn)矩，二是控制轉(zhuǎn)角位置或速度。
電機(jī)工作原理:圖 2.1 為兩相步進(jìn)電機(jī)的工作原理示意圖，它有2 個(gè)繞組。當(dāng)一個(gè)繞組通電后，其定子磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)， 將轉(zhuǎn)子吸合到此磁極處。若繞組在控制脈沖的作用下， 通電方向順序按照

四個(gè)狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，電機(jī)可順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；通電時(shí)序?yàn)?/FONT>

時(shí)，電機(jī)就逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂泼}沖每作用一次，通電方向就變化

一次，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即90 度。4 個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。脈沖頻率越高，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越快，實(shí)
際電機(jī)的節(jié)構(gòu)要比模型復(fù)雜，并且每轉(zhuǎn)一步，一般為1-8°。
步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩與電機(jī)的有效體積、線圈匝數(shù)、磁通量、電流成正比，因此，電機(jī)有效體
積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之越小。

步進(jìn)電機(jī)術(shù)語:

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)。
步距角：
對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移。一般二相電機(jī)的步距角為 1.8 度，即電機(jī)運(yùn)動(dòng)
200 步為一周。
靜力矩（HOLDING TORQUE）：
是指步進(jìn)電機(jī)通以額定電流但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(shí)的轉(zhuǎn)矩接近靜力矩。
定位力矩（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。
步距角精度：
步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：（誤差/步距角）′ 100%。
步進(jìn)角的誤差不累積。
最大空載起動(dòng)頻率：
電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。
最大空載的運(yùn)行頻率：
電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高運(yùn)行頻率。
相電流：
電機(jī)繞組所通過的電流。
電機(jī)矩頻特性：
電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與脈沖頻率關(guān)系的曲線稱為電機(jī)矩頻特性，這是電
機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。如圖2.2 所示，在低速時(shí)的電機(jī)力矩接近
靜力矩，隨著電機(jī)速度的增加，電機(jī)輸出力矩不斷衰減。
電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的相電流在額定電流和電壓下，相電流越大，電機(jī)輸出力矩
在低速時(shí)越大，電壓越高，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)力矩越大。

圖2.2 電機(jī)矩頻特性曲線
圖2.2 中，1-3 表示電壓或電流的值變大時(shí)，力矩的變化趨勢(shì)。另外，請(qǐng)注意，同一電機(jī)
的矩頻特性曲線在不同驅(qū)動(dòng)器下的表示是會(huì)有差異的，所以選型時(shí)要留有余量。
電機(jī)的共振點(diǎn)：

步進(jìn)電機(jī)均有相對(duì)固定的共振區(qū)域，2、4 相混合式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在180～250pps 之
間（步距角1.8 度）。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向
上偏移。為使電機(jī)輸出力矩大，不失步及使系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。注
意：細(xì)分會(huì)改變共振區(qū)的位置。
丟步（失步）：
控制器給電機(jī)發(fā)了 n 個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)并沒有轉(zhuǎn)動(dòng)n 個(gè)步距角。一般當(dāng)電機(jī)力矩偏小、加速度
偏大、速度偏高、摩擦力不均勻等都會(huì)使丟步現(xiàn)象發(fā)生。
步進(jìn)電機(jī)的類型：
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）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(dòng)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(lì)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)是指綜合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)。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。目前，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)最常用。
步進(jìn)電機(jī)的極性：
步進(jìn)電機(jī)分雙極性電機(jī)和單極性電機(jī)。如圖 2.3（a）所示雙極性電機(jī)，電流在2 個(gè)線圈流動(dòng)
時(shí)序?yàn)锳A ? BB ? AA ? B B ；而單極性電機(jī)線圈中電流的流動(dòng)方向是固定的，如圖2.3
（b）所示，其通電時(shí)序?yàn)閂A ? VC ? VB ? VD 。
單極性電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器較雙極性電機(jī)驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)單，但單極性電機(jī)的輸出力矩較小。

（a）雙極性電機(jī)（b）單極性電機(jī)
圖2.3 步進(jìn)電機(jī)線圈的極性
步進(jìn)電機(jī)線圈的串、并聯(lián)：
許多 2 相步進(jìn)電機(jī)有8 根引線，這種電機(jī)既可以串聯(lián)連接又可以并聯(lián)連接。
串聯(lián)連接的電機(jī)，電流較小，低頻力矩較大；并聯(lián)連接的電機(jī)，電感較小，所以啟動(dòng)、停止速
度較快，高頻力矩有所增大

步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu):