步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

下圖顯示了 5 相步進(jìn)電機(jī)的兩個橫截面。步進(jìn)電機(jī)主要由兩部分組成：定子和轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子由三部分組成：轉(zhuǎn)子1、轉(zhuǎn)子2和永磁體。轉(zhuǎn)子在軸向方向被磁化，因此，例如，如果轉(zhuǎn)子 1 被極化為北極，則轉(zhuǎn)子 2 將被極化為南極。

定子有十個帶小齒的磁極，每個極上有一個繞組。每個繞組都連接到相反極的繞組，以便當(dāng)電流通過該對繞組時，兩個極都被磁化為相同的極性。（通過給定繞組的電流會磁化相同極性（即北極或南極）的相反對極。）

相對的一對磁極構(gòu)成一個相。由于有 A 到 E 五個相，因此該電機(jī)被稱為“5 相步進(jìn)電機(jī)”。

每個轉(zhuǎn)子的外周有 50 個小齒，轉(zhuǎn)子 1 和轉(zhuǎn)子 2 的小齒彼此機(jī)械偏移半個齒距。

勵磁：?通過電機(jī)繞組發(fā)送電流

磁極：?定子的突出部分，被勵磁磁化

小齒：?轉(zhuǎn)子和定子上的齒

工作原理

下面就磁化后的定子小齒和轉(zhuǎn)子小齒的關(guān)系進(jìn)行說明。

當(dāng)“A”相被激發(fā)時

當(dāng) A 相被激發(fā)時，它的兩極向南極化。這會吸引轉(zhuǎn)子 1 的南極齒，同時排斥轉(zhuǎn)子 2 的南極齒。因此，處于平衡狀態(tài)的整個單元上的力使轉(zhuǎn)子保持靜止。此時，未勵磁的B相極齒與轉(zhuǎn)子2的南極齒錯開，偏移0.72?。這總結(jié)了A相勵磁時定子齒和轉(zhuǎn)子齒之間的關(guān)系。

當(dāng)“B”相被激發(fā)時

當(dāng)勵磁從 A 相切換到 B 相時，B 相磁極為北極，吸引轉(zhuǎn)子 2 的南極，排斥轉(zhuǎn)子 1 的北極。

換句話說，當(dāng)勵磁從 A 相切換到 B 相時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 0.72?。當(dāng)激勵從 A 相轉(zhuǎn)移到 B、C、D 和 E 相，然后回到 A 相時，步進(jìn)電機(jī)以 0.72? 的步長精確旋轉(zhuǎn)。要反向旋轉(zhuǎn)，將勵磁順序反轉(zhuǎn)為 A、E、D、C、B 相，然后返回 A 相。

定子和轉(zhuǎn)子之間的機(jī)械偏移固有 0.72? 的高分辨率，無需使用編碼器或其他傳感器即可實現(xiàn)精確定位。獲得}3弧分（空載）的高停止精度，因為影響停止精度的唯一因素是定子和轉(zhuǎn)子的加工精度、裝配精度和繞組的直流電阻的變化。

驅(qū)動器起到相位切換的作用，其時序由輸入到驅(qū)動器的脈沖信號控制。上面的示例顯示了一次前進(jìn)一相的勵磁，但在實際的步進(jìn)電機(jī)中，通過同時勵磁四相或五相來有效利用繞組。

步進(jìn)電機(jī)的基本特性

步進(jìn)電機(jī)在應(yīng)用中需要考慮的一個重點是電機(jī)特性是否適合使用條件。
以下部分描述了步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用中需要考慮的特性。
步進(jìn)電機(jī)性能的兩個主要特點是：

動態(tài)特性：?這些是步進(jìn)電機(jī)的啟動和旋轉(zhuǎn)特性，主要影響機(jī)械的運動和循環(huán)時間。
?

靜態(tài)特性：?這些是與步進(jìn)電機(jī)處于靜止模式時發(fā)生的角度變化有關(guān)的特性，會影響機(jī)械的精度水平。

動態(tài)特性

速度-轉(zhuǎn)矩特性?上圖是顯示驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系的特性圖。在選擇步進(jìn)電機(jī)時總是參考這些特性。橫軸表示電機(jī)輸出軸的速度，縱軸表示扭矩。速度-扭矩特性由電機(jī)和驅(qū)動器決定，并且受所用驅(qū)動器類型的影響很大。

最大保持力矩(TH)?最大保持力矩是步進(jìn)電機(jī)在不旋轉(zhuǎn)的情況下通電（額定電流）時的最大保持力（力矩）。

拉出扭矩?拉出扭矩是在給定速度下可以輸出的最大扭矩。選擇電機(jī)時，確保所需扭矩落在該曲線內(nèi)。

最大啟動頻率（fS）?步進(jìn)電機(jī)的摩擦負(fù)載和慣性負(fù)載為0時，電機(jī)可以瞬間啟動或停止（無加減速時間）的最大脈沖速度。以超過脈沖速度驅(qū)動電機(jī)這個速率將需要逐漸加速或減速。當(dāng)向電機(jī)添加慣性負(fù)載時，該頻率將降低。請參考下面的慣性負(fù)載-啟動頻率特性。

最大響應(yīng)頻率（fr）?步進(jìn)電機(jī)的摩擦負(fù)載和慣性負(fù)載為0時，電機(jī)可以通過逐漸加速或減速運行的最大脈沖速度。下圖顯示了5相電機(jī)的速度-轉(zhuǎn)矩特性步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動器包。

慣性負(fù)載 - 啟動頻率特性?這些特性顯示了負(fù)載慣性引起的啟動頻率變化。由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和負(fù)載都有自身的轉(zhuǎn)動慣量，瞬時啟動和停止時電機(jī)軸會出現(xiàn)滯后和超前現(xiàn)象。這些值隨脈沖速度而變化，但電機(jī)不能跟隨超過某個點的脈沖速度，因此會導(dǎo)致失步。失步發(fā)生前的脈沖速度稱為起始頻率。

最大啟動頻率隨慣性負(fù)載的變化可通過以下公式近似計算：

振動特性

步進(jìn)電機(jī)通過一系列步進(jìn)運動旋轉(zhuǎn)。跨步運動可以描述為 1 步響應(yīng)，如下所示：

1. 向靜止的步進(jìn)電機(jī)輸入一個單脈沖，使電機(jī)加速到下一個停止位置。

2、加速電機(jī)旋轉(zhuǎn)過停止位置，超調(diào)一定角度，反向拉回。

3. 電機(jī)在阻尼振蕩后停在設(shè)定的停止位置。

低速振動是由產(chǎn)生這種阻尼振蕩的階梯狀運動引起的。下面的振動特性圖表示電機(jī)旋轉(zhuǎn)時的振動幅度。振動級別越低，電機(jī)旋轉(zhuǎn)越平穩(wěn)。

靜態(tài)特性

角度-扭矩特性：?角度-扭矩特性表示電機(jī)在額定電流下勵磁時，轉(zhuǎn)子的角位移與外部施加在電機(jī)軸上的扭矩之間的關(guān)系。這些特性的曲線如下所示：

下圖顯示了上圖中編號點處的轉(zhuǎn)子齒和定子齒之間的位置關(guān)系。當(dāng)在點 (1) 保持穩(wěn)定時，對電機(jī)軸施加的外部力將產(chǎn)生向左方向的扭矩 T (+)，試圖使軸返回到穩(wěn)定點 (1)。當(dāng)外力等于點 (2) 處的扭矩時，軸將停止。

如果施加額外的外力，則產(chǎn)生的扭矩將在點 (3) 處達(dá)到最大值。該扭矩稱為最大保持扭矩 TH。

施加超過該值的外力將驅(qū)動轉(zhuǎn)子到不穩(wěn)定點（5）及以上，產(chǎn)生與外力方向相同的扭矩T（-），使其運動到下一個穩(wěn)定點（1）并停止。

穩(wěn)定點：?轉(zhuǎn)子停止的點，定子齒和轉(zhuǎn)子齒完全對齊。這些點非常穩(wěn)定，如果不施加外力，轉(zhuǎn)子將一直停在那里。

不穩(wěn)定點：?定子齒和轉(zhuǎn)子齒有半個齒距不對齊的點。即使在最輕微的外力作用下，位于這些點的轉(zhuǎn)子也會向左或向右移動到下一個穩(wěn)定點。

角度精度

在空載條件下，步進(jìn)電機(jī)的角度精度在 ±3 弧分 (±0.05?) 以內(nèi)。小誤差是由定子和轉(zhuǎn)子的機(jī)械精度差異和定子繞組直流電阻的小變化引起的。步進(jìn)電機(jī)的角度精度一般用停止位置精度來表示。

停止位置精度：?停止位置精度是轉(zhuǎn)子的理論停止位置與實際停止位置之間的差值。將給定的轉(zhuǎn)子停止點作為起始點，則停止位置精度是在完整旋轉(zhuǎn)的每一步所進(jìn)行的測量集中的最大值 (+) 值和最大值 (?) 之間的差值。

停止位置精度在 ±3 弧分 (±0.05?) 以內(nèi)，但僅限于無負(fù)載條件下。在實際應(yīng)用中，摩擦載荷總是相同的。在這種情況下，角度精度是由角度引起的角位移產(chǎn)生的 - 基于摩擦負(fù)載的扭矩特性。如果摩擦載荷恒定，則單向運行的位移角將恒定。

然而，在雙向操作中，往返行程會產(chǎn)生雙倍的位移角。當(dāng)需要高停止精度時，請始終定位在同一方向。

步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動器包的勵磁順序

我們目錄中列出的每個 5 相電機(jī)和驅(qū)動器套件都包含一個 New Pentagon、五引線電機(jī)和一個包含特殊勵磁序列的驅(qū)動器。這種組合為 Oriental Motor 專有，具有以下優(yōu)點：

五根導(dǎo)線的簡單連接

低振動

以下部分描述接線和勵磁順序。

新 Pentagon，4 相勵磁：全步系統(tǒng)（0.72?/步）

這是 5 相電機(jī)特有的系統(tǒng)，其中四個相被激勵。步距角為 0.72? (0.36?)。它提供了很好的阻尼效果，因此運行穩(wěn)定。

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新 Pentagon，4-5 相勵磁：半步系統(tǒng)（0.36?/步）

交替 4 相和 5 相勵磁的步進(jìn)序列以每步 0.36? 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。一次旋轉(zhuǎn)可分為1000步。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器

驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的常見系統(tǒng)有兩種：恒流驅(qū)動和恒壓驅(qū)動。恒壓驅(qū)動的電路更簡單，但在高速下實現(xiàn)扭矩性能相對更難。
另一方面，恒流驅(qū)動是現(xiàn)在最常用的驅(qū)動方法，因為它在高速下提供出色的扭矩性能。Oriental Motor的所有驅(qū)動器均采用恒流驅(qū)動系統(tǒng)。

恒流驅(qū)動系統(tǒng)概述

步進(jìn)電機(jī)通過流過繞組的電流的順序切換來旋轉(zhuǎn)。當(dāng)速度增加時，開關(guān)速率也變得更快，電流上升滯后，導(dǎo)致扭矩?fù)p失。遠(yuǎn)高于電機(jī)額定電壓的直流電壓的斬波將確保額定電流到達(dá)電機(jī)，即使在更高速度下也是如此。

流過電機(jī)繞組的電流通過電流檢測電阻檢測為電壓，并與參考電壓進(jìn)行比較。電流控制是通過在檢測電阻兩端的電壓低于參考電壓（未達(dá)到額定電流時）時使開關(guān)晶體管 Tr2 保持導(dǎo)通，或在該值高于參考電壓時關(guān)閉 Tr2 來實現(xiàn)的（當(dāng)它超過額定電流時），從而提供恒定的額定電流。

交流輸入和直流輸入特性之間的差異

步進(jìn)電機(jī)由通過驅(qū)動器施加的直流電壓驅(qū)動。在 Oriental Motor 的 24 VDC 輸入電機(jī)和驅(qū)動器套件中，24 VDC 應(yīng)用于電機(jī)。在 100-115 VAC 電機(jī)和驅(qū)動器封裝中，輸入被整流為 DC，然后大約 140 VDC 被施加到電機(jī)。（某些產(chǎn)品除外。）

施加到電機(jī)的這種電壓差異表現(xiàn)為高速時扭矩特性的差異。這是因為施加電壓越高，通過電機(jī)繞組的電流上升越快，有利于在更高速度下施加額定電流。

因此，交流輸入電機(jī)和驅(qū)動器套件在從低速到高速的寬速度范圍內(nèi)具有出色的扭矩特性，提供大速比。建議為您的應(yīng)用考慮兼容更廣泛工作條件的交流輸入電機(jī)和驅(qū)動器套件。

微步驅(qū)動技術(shù)

微步驅(qū)動技術(shù)是在不使用減速機(jī)構(gòu)的情況下，將5相步進(jìn)電機(jī)的基本步距角（0.72?）分成更小的步距（最大可達(dá)250格）。

◇ 微步驅(qū)動技術(shù)

步進(jìn)電機(jī)以轉(zhuǎn)子和定子的凸極結(jié)構(gòu)確定的步距角為增量移動和停止，輕松
實現(xiàn)高精度定位。另一方面，步進(jìn)電機(jī)會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子速度發(fā)生變化，因為
電機(jī)以步距角增量旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致在給定速度下產(chǎn)生共振或更大的振動。

微步進(jìn)是一種通過控制供給電機(jī)線圈的電流流動，從而將電機(jī)的基本步進(jìn)角分成更小的步進(jìn)，從而在極低速度下實現(xiàn)低共振、低噪音操作的技術(shù)。

電機(jī)的基本步距角（0.72?/整步）可分為更小的步距，范圍從 1/1 到 1/250。微步從而確保平穩(wěn)運行。

采用平滑改變電機(jī)驅(qū)動電流的技術(shù)，可將電機(jī)振動降至最低，實現(xiàn)低噪音運行。

◇ 高達(dá) 250 微步

得益于微步驅(qū)動器，不同的步進(jìn)角（16 步到 250 格）可以設(shè)置到兩個步進(jìn)角設(shè)置開關(guān)。通過外部源控制用于步進(jìn)角切換的輸入信號，可以在為各個開關(guān)設(shè)置的水平之間切換步進(jìn)角。

微步驅(qū)動的特點

● Low Vibration
Microstep 驅(qū)動技術(shù)以電子方式將步進(jìn)角分成更小的步進(jìn)，確保低速下平滑的增量運動并顯著減少振動。雖然阻尼器或類似裝置通常用于減少振動，但電機(jī)本身采用的低振動設(shè)計 - 以及微步驅(qū)動技術(shù) - 更有效地減少了振動。可以大大簡化抗振措施，因此它是大多數(shù)對振動敏感的應(yīng)用和設(shè)備的理想選擇。

● 低噪音
微步驅(qū)動技術(shù)有效降低了低速時振動相關(guān)的噪音水平，實現(xiàn)了低噪音性能。即使在對噪聲最敏感的環(huán)境中，該電機(jī)也表現(xiàn)出出色的性能。

● 改進(jìn)的可控性
新型 Pentagon 微步驅(qū)動器具有卓越的阻尼性能，可最大限度地減少響應(yīng)步進(jìn)變化的過沖和下沖，準(zhǔn)確地遵循脈沖模式并確保改進(jìn)的線性度。此外，可以減輕通常由啟動和停止動作引起的震動。

步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動器包

控制系統(tǒng)概述

◇ 轉(zhuǎn)子位置傳感器

轉(zhuǎn)子位置檢測傳感器內(nèi)置于電機(jī)輸出軸的反端：

傳感器繞組檢測由于轉(zhuǎn)子角位置引起的磁阻變化。

具有創(chuàng)新的閉環(huán)控制

偏差計數(shù)器通過脈沖信號計算轉(zhuǎn)子實際角位置相對于位置指令的偏差（滯后/超前）。計算結(jié)果用于檢測“失步區(qū)域”并通過在開環(huán)和閉環(huán)模式之間切換來操作電機(jī)。

如果定位偏差小于}1.8?，電機(jī)運行在開環(huán)模式。

如果定位偏差為}1.8? 或更大，則電機(jī)以閉環(huán)模式運行。

在閉環(huán)模式下，電機(jī)繞組勵磁受到控制，以便在給定的轉(zhuǎn)子角位置產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。這種控制方法消除了角度-扭矩特性中的不穩(wěn)定點（失步區(qū)域）。

阿爾法步的特點

◇ 提升步進(jìn)電機(jī)性能

高速時不會“失步”。因此，與傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)不同，其操作將不受以下限制：

對加速/減速率和慣性比的限制源于控制器的脈沖曲線。

“失步”引起的啟動脈沖速度限制。

使用速度過濾器調(diào)整啟動/停止時的響應(yīng)度。無需更改控制器數(shù)據(jù)（啟動脈沖、加速/減速率）即可通過 16 種設(shè)置調(diào)整啟動/停止的響應(yīng)性。此功能旨在減少低速運行期間對工作的沖擊和振動。

使用勵磁定時信號返回機(jī)械原點運行

● 勵磁時序信號
驅(qū)動器對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行初始勵磁時（步“0”）輸出勵磁時序（TIM.）信號。Oriental Motor的5相步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動器套件在接通電源時進(jìn)行初始勵磁，
每輸入一個脈沖信號就推進(jìn)勵磁序列，電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)7.2?完成一個循環(huán)。

當(dāng)需要執(zhí)行高度可重復(fù)的機(jī)械原點返回操作時，使用這些定時信號。以下各節(jié)介紹步進(jìn)電機(jī)返回機(jī)械原點操作和時序信號的使用。

● 步進(jìn)電機(jī)返回機(jī)械原點運行

打開電源啟動自動化設(shè)備或停電后重新啟動設(shè)備時，需要將步進(jìn)電機(jī)恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)位置。該操作稱為“返回機(jī)械原點操作”。

步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械原點返回操作使用原點傳感器來檢測用于定位操作的機(jī)械組件。當(dāng)檢測到的信號被確認(rèn)時，控制器停止脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)停止。在這樣的機(jī)械原點返回操作中，原點位置的精度取決于原點傳感器的檢測性能。由于原點傳感器的檢測性能會根據(jù)環(huán)境溫度和機(jī)構(gòu)檢測區(qū)域的接近速度等因素而變化，因此對于需要高度可重復(fù)的機(jī)械原點位置檢測的應(yīng)用，有必要減少這些因素。

● 使用激勵定時信號提高再現(xiàn)性

確保機(jī)械原點位置不因原點傳感器的檢測性能變化而變化的方法是通過與定時信號邏輯相乘來停止脈沖信號。由于在初勵磁時輸出定時信號，如果在輸出定時信號時停止脈沖信號，則機(jī)械原點始終在初勵磁時確定。

電纜長度與傳輸頻率的關(guān)系

隨著脈沖線電纜變長，最大傳輸頻率降低。具體來說，電纜的電阻元件和雜散電容會導(dǎo)致CR電路的形成，從而延遲脈沖上升和下降時間。電纜中的雜散電容出現(xiàn)在電線和接地層之間。然而，很難提供明確的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，因為條件會根據(jù)電纜類型、布局、路由和其他因素而有所不同。

與本公司產(chǎn)品組合使用時的發(fā)射頻率（實測參考值）如下表：

耦合剛度對設(shè)備的影響

表示聯(lián)軸器性能的規(guī)格包括允許負(fù)載、允許速度、扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)、聯(lián)軸器間隙（游隙）和允許偏差。在實踐中，為要求高定位性能或低振動的設(shè)備選擇聯(lián)軸器時，主要選擇標(biāo)準(zhǔn)是“剛性、無背隙”。然而，在某些情況下，聯(lián)軸器剛度對設(shè)備的整體剛度影響很小。

本節(jié)以使用 MCS 等爪式聯(lián)軸器和剛性更高的波紋管聯(lián)軸器的兩種用途為例，比較了由滾珠絲杠驅(qū)動構(gòu)成的設(shè)備的整體剛性。（數(shù)據(jù)取自KTR的技術(shù)文件，因此聯(lián)軸器尺寸與Oriental Motor提供的產(chǎn)品不同。）

測試設(shè)備概覽

零件規(guī)格

爪形聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)
Cj? = 21000 [N?m/rad]

波紋管聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)
Cb ?= 116000 [N?m/rad]

伺服電機(jī)剛性
Cm ?= 90000 [N?m/rad]

滾珠絲杠導(dǎo)程
h ?= 10 [mm]

滾珠絲杠根圓直徑
d ?=28.5[mm]

滾珠絲杠長度
L? = 800 [mm]

軸向軸承剛度
Rbrg? = 750 [N/μm]

滾珠絲杠螺母軸向剛性
Rn? = 1060 [N/μm]

滾珠絲杠的彈性模量
Rf? = 165000 [N/mm2]

1.求得滾珠絲桿、軸承和螺母的扭轉(zhuǎn)剛度。滾珠絲杠軸向剛度Rs計算如下：

因此，滾珠絲杠、軸承和螺母的軸向總剛度Rt計算如下：

該軸向的剛度被用作扭轉(zhuǎn)剛度Ct。

2. 求出使用爪形聯(lián)軸器時的設(shè)備整體剛度C。

3.求出采用波紋管聯(lián)軸器時的設(shè)備整體剛度C。

四、計算結(jié)果

　　審核編輯：湯梓紅