步进电动机概念及其工作原理

步进电动机概念及其工作原理步进电动机概念及其工作原理 步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置， 是一 种特殊的电动机。 一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两 种基本状态， 当有脉冲输入肘步进电动机一步一步地转动， 每给它一个脉冲信号， 它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在 时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电 的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电 源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。步进电动机按其 输出转矩的大小来分， 可以分为快速步进电动机和功率步进电动机。快速步进电 动机连续工作频率高而输出转矩较小， 一般在 N·cm 级， 可以作为控制小型精密 机床的工作台(例线切割机床)也可以和液压转矩放大器组成电液脉冲马达去驱 动数控机床的工作台，而功率步进电动机的输出转矩就比较大是 N·m 级的，可 以直接去驱动机床的移动部件。步进电动机按其励磁相数，可以分为三相、 四相、五相、六相甚至八相。一般来说随着相数的增加，在相同频率的情况下， 每相导通电流的时间增加，各相平均电流会高些，从而使电动机的转速—转矩特 性会好些，步距角亦小。但是随着相数的增加，电动机的尺寸就增加，结构亦复 杂，目前多用 3～6 相的步进电动机。由于步进电动机的转速随着输入脉冲 频率变化而变化，调速范围很广，灵敏度高，输出转角能够控制，而且输出精度 较高，又能实现同步控制，所以广泛地使用在开环系统中，也还可用在一般通用 机床上，提高进给机构的自动化水平。步进电动机按其工作原理来分，主要 有磁电式和反应式两大类，这里只介绍常用的反应式步进电动机的工作原理，现 用下图的步进电动机的简化图来加以说明。 在电动机定子上有 A、B、C 三对磁极，磁极上绕有线圈，分别称之为 A 相、B 相和 C 相，而转子则是一个带齿的铁心，这种步进电动机称之为三相步进电动 机。如果在线圈中通以直流电，就会产生磁场，当 A、B、C 三个磁极的线圈依 次轮流通电，则A、B、C 三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。首先 有一相线圈(设为 A 相)通电，则转子 1、3 两齿被磁极 A 吸住，转子就停留在图 5—5a 的位置上。然后，A 相断电，6 相通电，则磁极 A 的磁场消失磁极 B 产 生了磁场，磁极召的磁场把离它最近的2、4 两齿吸引过去，停止在图b 的位置 上，这时转子逆时针转了 30°。再接下去 B 相断电，C 相通电。根据同样道理， 转子又逆时针转了 30°，停止在图 c 的位置上。若再 A 相通电，C 相断开，那 么转子再逆转 30°，使磁极 A 的磁场把 2、4 两个齿吸住。定子各相轮流通电一 次转子转过一个齿。这样按 A→B→C→A→B→C→A→…次序轮流通电，步进电 动机就一步一步地按逆时针方向旋转。通电线圈每转换一次，步进电动机旋转 30°，我们把步进电动机每步转过的角度称之为步距角。如果把步进电动机通电 线圈转换的次序倒过来换成 A→C→B→A→C→B→…的顺序，则步进电动机将 按顺时针方向旋转， 所以要改变步进电动机的旋转方向可以在任何一相通电时进 行。 步进电动机 步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。 传统电动机 作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作 用。 可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂 自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系 列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类 便是步进电动机。 步进电动机的发展与计算机工业密切相关。 自从步进电动机在计算机外围设备中 取代小型直流电动机以后， 使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发 展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件 的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量 仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。 任何一种产品成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。现在， 步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、 混合式和爪极结构的永磁式三 类。爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动 机， 由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地 位。最典型的产品是二相 8 极 50 齿的电动机，步距角 1.8°／0.9°（全步／半 步） ； 还有五相 10 极 50 齿和一些转子 100 齿的二相和五相步进电动机，五相 电动机主要用于运行性能较高的场合。到目前， 工业发达国家的磁阻式步进电动 机已极少见。 步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI 和 MINEBEA 及 NPM 公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观 质量，还是生产手段，都堪称是世界上最好的。现在日本步进电动机年产量（含 国外独资公司）近 2 亿台。 德国也是世界上步进电动机生产大国。德国 B.L.公司 1994 年五相混合式步进 电动机专利期满后，推出了新的三相混合式步进电动机系列，为定子 6 极转子 50 齿结构，配套电流型驱动器，每转步数为 200、400、1000、2000、4000、 10000 和 20000，它具有通常的二相和五相步进电动机的分辨率，还可以在此 基础上再 10 细分，分辨率提高 10 倍，这是一种很好的方案，充分运用了电流 型驱动技术的功能，让三相电动机同时具有二相和五相电动机的性能。 与此同时， 日本伺服公司也推出了他们的三相混合式步进电动机。该公司阪正文 博士研制了三种不同的永磁式三相步进电动机，即 HB 型（混合式） 、RM 性（定 子和混合式相似，转子则同永磁式环形磁铁相似）和爪极PM 型。将三相步进电 动机同二相步进电动机进行比较后显示： ⑴在获得小步距角方面，三相电动机比二相电动机要好。 ⑵三相电动机的两相励磁最大保持力矩为√3T1（T1 为单相励磁转矩） ，而二相 电动机为 √2T1，所以三相电动机的合成力矩大。 ⑶三相电动机的转矩波动比二相电动机要小。 ⑷三相电动机连续 2 步用于半步的转矩差比二相电动机的要小。 ⑸三相电动机绕组可以星形连接，三个终端驱动，励磁电路晶体管 6 个； 而二 相电动机是 8 个。 ⑹连续运转时， 由于三相步进电动机结构原因， 磁通和电流的三次谐波被消除了， 所以三相电动机的振动力矩比二相电动机的要小。 结论是显而易见的。另外的结论是 HB 型电动机更适合于低速大转矩用途；RM 型适用于平稳运行以及转速大于 1000r/min 的用途；而PM 型成本低，在低转 速时的振动和高转速时的大转矩方面， 三相 PM 型电动机比两相电动机的性能要 好。 因此， 当前最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向以下四 个方向发展： 发展趋势之一， 是继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽 以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在 57