[導(dǎo)讀] 步進(jìn)電機是一種作為控制用的特種電機, 它的旋轉(zhuǎn)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(yīng)用于各種開環(huán)控制。
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步進(jìn)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(yīng)用廣泛。對于步進(jìn)電機的架構(gòu)和驅(qū)動方式、工作原理、應(yīng)用中的注意事項，我們將進(jìn)行深度剖析。
步進(jìn)電機是一種作為控制用的特種電機, 它的旋轉(zhuǎn)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(yīng)用于各種開環(huán)控制。步進(jìn)電機的運行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動, 這種裝置就是步進(jìn)電機驅(qū)動器, 它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進(jìn)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(qū)動器就使步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)一步距角，所以步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。因此控制步進(jìn)脈沖信號的頻率，可以對電機精確調(diào)速；控制步進(jìn)脈沖的個數(shù)，可以對電機精確定位目的。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)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(lǐng)域用步進(jìn)電機來控制變的非常的簡單。
一、步進(jìn)電機的構(gòu)造（以五相步進(jìn)電機為例）
步進(jìn)電機的構(gòu)造如下圖所示，大致分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子1、轉(zhuǎn)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(jīng)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(jìn)電動機。
轉(zhuǎn)子的外圈由 50個小齒構(gòu)成，轉(zhuǎn)子 1 和轉(zhuǎn)子 2 的小齒于構(gòu)造上互 相錯開 1/2 螺距。由此轉(zhuǎn)子形成了100個小齒。目前已經(jīng)有轉(zhuǎn)子單個加工至100齒的高分辨率型，那么高分辨率型的轉(zhuǎn)子就有200個小齒。因此其機械上就可以實現(xiàn)普通步進(jìn)電機半步(普通步進(jìn)電機半步需要電氣細(xì)分達(dá)到)的分辨率。
二、步進(jìn)電機工作原理
當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉(zhuǎn)。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(jìn)電機的轉(zhuǎn)動。
三、步進(jìn)電機的控制
步進(jìn)電機驅(qū)動方式有三種基本的驅(qū)動模式：整步、半步、細(xì)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(jìn)電機都有低頻振動的特點，通過細(xì)分調(diào)協(xié)可以改善電機低速動運行的平衡性。下面給大家詳細(xì)介紹一下：
1、整步驅(qū)動
在整步運行中，同一種步進(jìn)電機既可配整/半步驅(qū)動器也可配細(xì)分驅(qū)動器，但運行效果不同。步進(jìn)電機驅(qū)動器按脈沖/方向指令對兩相步進(jìn)電機的兩個線圈循環(huán)激磁(即將線圈充電設(shè)定電流)，這種驅(qū)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(biāo)準(zhǔn)兩相電機的一圈共有200個步距角)。
2、半步驅(qū)動
在單相激磁時，電機轉(zhuǎn)軸停至整步位置上，驅(qū)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(zhuǎn)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(jìn)行單相然后雙相激磁步進(jìn)電機將以每個脈沖0.90度的半步方式轉(zhuǎn)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(qū)動器時一般選用半步模式。
3、細(xì)分驅(qū)動
細(xì)分驅(qū)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(zhuǎn)軸有時工作在60rpm以下)或定位精度要求小于0.90度的步進(jìn)應(yīng)用中，細(xì)分驅(qū)動器獲得廣泛應(yīng)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(jìn)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(xì)分步完成。例如十六細(xì)分的驅(qū)動方式可使每圈200標(biāo)準(zhǔn)步的步進(jìn)電機達(dá)到每圈200*16=3200步的運行精度(即0.1125°)。
四、應(yīng)用中的注意點
1、步進(jìn)電機應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（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(jìn)電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。
3、轉(zhuǎn)動慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機座號電機。
4、電機在較高速或大慣量負(fù)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(yīng)通過機械減速、提高電機速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)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(chǎn)廠家少。
五、步進(jìn)電機測試注意點
根據(jù)國標(biāo)GB/T 20638-2006，對于步進(jìn)電機的測試我們一般需要關(guān)注反電動勢常數(shù)、保持轉(zhuǎn)矩、繞組溫升、矩角特性測試、牽出轉(zhuǎn)矩、最高反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩的測試，對于大基座的步進(jìn)電機，一般采用磁粉制動器和電機測試平臺來進(jìn)行測試，小基座的步進(jìn)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(jìn)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(shè)計的步進(jìn)電機。
