步進(jìn)電機(jī)

　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分反應(yīng)式（磁阻式）、永磁式和混合式三大類。

　　三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1：三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

　　定子六個(gè)磁極上繞有三相星形繞組，轉(zhuǎn)子外圓周和磁極極靴上開有等齒距的小齒。轉(zhuǎn)子齒數(shù)為20 個(gè)，每個(gè)磁極上有 3 個(gè)小齒，小齒相鄰兩相的兩個(gè)磁極錯(cuò)開1 /3齒距（一般錯(cuò)開1 /m，m為相數(shù)）。由于是繞組輪流通電，所以當(dāng) A 相通電時(shí)，定轉(zhuǎn)子之間的磁通以磁 阻最小取向，使轉(zhuǎn)子齒（位置隨機(jī)）與A相磁極小齒對(duì)齊。此時(shí)，B相磁極上小齒沿ABC方向超前轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開1 /3齒距。A相斷電、B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子則沿ABC轉(zhuǎn)過1 /3齒距。此時(shí)， C 相磁極上小齒又超前轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開1 /3齒距。B相斷電、C相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子則沿ABC方向又轉(zhuǎn)過 1 /3 齒距。如此便隨脈沖的A→B→C分配方式步進(jìn)運(yùn)動(dòng)下去。脈沖通電有多種分配方式，步距角的大小可隨脈沖分配方式不同而變化。實(shí)現(xiàn)這種分配的是一種環(huán)形脈沖分配器，繞組通斷則由功率開關(guān)管實(shí)施。

　　以上是三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理，多相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理與三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)基本一樣。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是步距角小、步距精度高、起動(dòng)頻率高、負(fù)載能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)電氣細(xì)分; 缺點(diǎn)是易振蕩（需要加裝阻尼器進(jìn)行抑制）、驅(qū)動(dòng)功率大、效率低。

　　兩相永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2：兩相永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

　　轉(zhuǎn)子為兩對(duì)極的“+”字形磁體（也可以為多對(duì)極的星形磁體），定子則相應(yīng)為兩相繞組 （也可為多相繞組）。

　　當(dāng)定子A相或B相單獨(dú)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向A相或B相磁場(chǎng)軸線；當(dāng) A、B相同時(shí)通電時(shí)， 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向 A、B 相磁場(chǎng)合成軸線。當(dāng)繞組按單四拍方式 A→B→（-A）→（-B）和雙四拍方式 A、B →（B、-A）→（-A、-B ）→（-B、A）通電時(shí)，步距角為45°；當(dāng)繞組按八拍方式 A→A、B→B→（B、-A）→（-A）→（-A、-B）→（-B）→（-B、A）通電時(shí)，步距角為 22.5°。

　　永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)功率小、阻尼大、有斷電自鎖力矩，缺點(diǎn)是步距角大、起動(dòng)頻率低。

　　混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合了反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，因而性能更好， 即同時(shí)具有步距角小、驅(qū)動(dòng)功率小的優(yōu)點(diǎn)。

　　靜力矩（保持力矩）是指在規(guī)定的通電方式下，繞組通入恒定直流電流，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)鎖定不崩潰的最大力矩。

　　在此脈沖頻率下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能不失步空載起動(dòng)、停止和正反轉(zhuǎn)。

　　最高運(yùn)行頻率是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能保持不失步條件下運(yùn)行的最高脈沖頻率。

　　步距角誤差是指每一步實(shí)際步距角與理論步距角之差（誤差不累積）。測(cè)試時(shí)，可用增量編碼器、光學(xué)分度頭（用信號(hào)電機(jī)作角位移傳感器）、工具顯微鏡測(cè)量。步距角誤差對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)非常重要。例如，用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的打印機(jī)，如果步距角誤差太大，打印出來(lái)的文案或圖片就會(huì)不均勻。

　　位置誤差是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)完成一系列步進(jìn)運(yùn)動(dòng)后， 實(shí)際位置相對(duì)理論位置之間的偏差。具體測(cè)試方法為：相對(duì)于起始點(diǎn)，一周內(nèi)每一步所到位置角與理論位置角之差。例如，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角為1.5°，相對(duì)于起始點(diǎn)，第1步的位置角是1.5°，第2 步的位置角則是3°。位置誤差一般不專門測(cè)試，它可用每步步距誤差累積算出。因此，一些早期的專業(yè)書和專用技術(shù)條文中，也把位置誤差稱為累積誤差。

　　這就引起了一些混亂，常說(shuō)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一是無(wú)累積誤差，怎么這里又要測(cè)試?yán)鄯e誤差了呢? 其實(shí)，這兩者所指的內(nèi)容不同。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)無(wú)累積誤差，是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上述步距角誤差和步進(jìn)一周或數(shù)周相對(duì)起始位置無(wú)累積誤差。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)數(shù)步后，相對(duì)于起始位置還是有累積誤差的，只是誤差能不斷自動(dòng)補(bǔ)償，不會(huì)無(wú)限累積下去，步進(jìn)一周后，誤差一定為零。所以，現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB /T 2900.26—2008《電工術(shù)語(yǔ) 控制電機(jī)》要用“位置誤差”定義這一誤差，使得含義更準(zhǔn)確，并與 “累積誤差”區(qū)分開來(lái)。

　　位置誤差對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有普遍意義， 如用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的灌裝設(shè)備和物料計(jì)量設(shè)備， 常需要步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按規(guī)定的步數(shù)和頻率運(yùn)行，如果位置誤差太大，灌裝和計(jì)量就不會(huì)準(zhǔn)確。

　　高低壓供電是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組通電后， 先用高壓強(qiáng)迫電流上升加快， 當(dāng)電流上升到一定值時(shí)，再轉(zhuǎn)換到低壓供電， 由此提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作頻率， 且繞組不需要串聯(lián)加速電阻， 還可減小功耗。電流上升特性曲線如圖3所示。

圖3：電流上升特性曲線

　　電流I達(dá)到 0.632U1 /R所需的時(shí)間，高壓U2供電時(shí)為t2，低壓U1供電時(shí)為τ。τ表示通電線圈的電氣時(shí)間常數(shù)，定義為電流由零上升到63.2%穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間。無(wú)論是高壓供電還是低壓供電，τ是不變的。由圖3可以很明顯地看出，高壓供電時(shí)電流上升速度比低壓快。

　　雙電源供電是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在高頻高速運(yùn)行時(shí)用高壓供電，在低頻低速運(yùn)行時(shí)改用低壓供電。這樣，可使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在高頻段有較大出力，在靜止鎖定時(shí)功耗小。如果只采用單電源低壓供電，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在高頻高速運(yùn)行時(shí)，繞組反電動(dòng)勢(shì)增大，使得相電流減小、力矩減小。

　　電氣細(xì)分是指改變勵(lì)磁繞組通電方式和電流相量的大小及方向，使合成磁軸偏轉(zhuǎn)角減?。ㄒ粋€(gè)步距角，由整步分成數(shù)步步進(jìn)）的方法。例如，三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由單三拍運(yùn)行改為雙三拍運(yùn)行，一種方法是改變其中一相電流大小，便可實(shí)現(xiàn)電氣細(xì)分，簡(jiǎn)單、方便，但有滯后角變化的缺點(diǎn)，細(xì)分?jǐn)?shù)不能太大；另一種方法是將矩形波電脈沖分解成階梯波，用單片機(jī)產(chǎn)生的 PWM （脈寬調(diào)制）波進(jìn)行幅值和脈寬調(diào)節(jié)，細(xì)分?jǐn)?shù)大，且轉(zhuǎn)矩恒定。其中，第二種是常用的方法。電氣細(xì)分是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)微步距的驅(qū)動(dòng)方法，可消除低頻振蕩，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)。