步進電機基礎(chǔ)知識

每個電機都會轉(zhuǎn)換功率。電動機將電能轉(zhuǎn)化為運動。步進電機將電能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)。步進電機不僅可以將電能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)，而且可以非常精確地控制旋轉(zhuǎn)的距離和速度。

步進電機之所以如此命名，是因為每個電脈沖都會使電機轉(zhuǎn)動一步。步進電機由驅(qū)動器控制，驅(qū)動器將脈沖發(fā)送到電機中使其轉(zhuǎn)動。電機轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù)等于饋入驅(qū)動器的脈沖數(shù)。電機將以等于這些相同脈沖頻率的速率旋轉(zhuǎn)。

步進電機非常容易控制。大多數(shù)驅(qū)動器正在尋找 5 伏脈沖，這恰好是大多數(shù)集成電路的電壓電平。您只需要設(shè)計一個輸出脈沖的電路或使用東方馬達的脈沖發(fā)生器之一。

步進電機最顯著的特點之一是它們能夠非常準確地定位。稍后將對此進行深入介紹。步進電機并不完美，總會有一些小的不準確之處。ORIENTAL MOTOR 的標準步進電機的精度為 ± 3 弧分 (0.05°)。不過，步進電機的顯著特點是這種誤差不會逐步累積。當(dāng)標準步進電機移動一步時，它將移動 1.8° ± 0.05°。如果同一臺電機行進一百萬步，它將行進 1,800,000° ± 0.05°。錯誤不會累積。

步進電機可以快速響應(yīng)和加速。它們具有低轉(zhuǎn)子慣性，可以快速加速。因此，步進電機非常適合短距離、快速移動。

步進電機系統(tǒng)

下圖顯示了一個典型的基于步進電機的系統(tǒng)。所有這些部分都必須以一種或另一種形式存在。每個組件的性能都會對其他組件產(chǎn)生影響。

第一個組件是計算機或 PLC。這是系統(tǒng)背后的大腦。計算機不僅控制步進電機系統(tǒng)，而且還將控制機器的其余部分。它可能會升起電梯或推進傳送帶。它可以像 PC 或 PLC 一樣復(fù)雜，也可以像操作員按鈕一樣簡單。

第二部分是分度器或 PLC 卡。這告訴步進電機要做什么。它將輸出電機移動的正確脈沖數(shù)并改變頻率，以便電機加速，以一定速度運行，然后減速。

這可能是一個單獨的組件，如 ORIENTAL MOTOR SG8030 分度器或滑入 PLC 的脈沖發(fā)生器卡。形式是無關(guān)緊要的，但它必須存在才能使電機移動。

接下來的四個框組成電機驅(qū)動器。相位控制邏輯從分度器獲取脈沖并確定應(yīng)為電機的哪一相通電。相位必須按特定順序通電，相位控制邏輯負責(zé)處理這一點。邏輯電源是為驅(qū)動器中的 IC 供電的低電平電源。這取決于芯片組或應(yīng)用設(shè)計，但大多數(shù)邏輯電源都在 5 伏范圍內(nèi)。電機電源是為電機供電的電源電壓。此電壓水平通常在 24 VDC 范圍內(nèi)，但也可能更高。最后，功率放大器是允許電流為相位供電的晶體管組。它們不斷地打開和關(guān)閉，以按照正確的順序移動電機。

所有這些組件都會指示電機移動負載。負載可以是絲杠、圓盤或傳送帶。

步進電機的類型

目前有三種通用類型的步進電機。

可變磁阻 (VR)

永久磁鐵 (PM)

雜交種

ORIENTAL MOTOR 只生產(chǎn)混合式步進電機。

可變磁阻步進電機的轉(zhuǎn)子和定子上都有齒，但沒有磁鐵。因此它沒有制動力矩。永磁體有一個用于轉(zhuǎn)子的磁鐵，但沒有齒。通常，PM 磁鐵的步距角很粗糙，但它確實有制動力矩。

混合式步進電機結(jié)合了永磁體的磁體和可變磁阻電機的齒。磁鐵是軸向磁化的，這意味著在右圖中，上半部分是北極，下半部分是南極。磁鐵上有兩個帶 50 個齒的帶齒轉(zhuǎn)子杯。兩個杯錯開 3.6°，因此如果我們向下看北極杯上兩個齒之間的轉(zhuǎn)子，我們會看到正中間的南極杯上的一個齒。

這些電機為兩相結(jié)構(gòu)，每相 4 個極。彼此相隔 90° 的磁極構(gòu)成每一相。每相都繞線，使極 180° 為相同極性，而相隔 90° 為相反極性。如果該相中的電流反轉(zhuǎn)，極性也會反轉(zhuǎn)。這意味著我們可以將任何定子極制成北極或南極。

轉(zhuǎn)子上有50個齒。齒間距為 7.2°。當(dāng)電機移動時，一些轉(zhuǎn)子齒與定子齒不對齊 3/4 齒距、1/2 齒距和 1/4 齒距。當(dāng)電機步進時，它會走最簡單的路線，因為 7.2° 的 1/4 是 1.8°，電機每步移動 1.8°。

最后，扭矩和精度取決于極（齒）數(shù)。磁極越大，扭矩和精度越好。ORIENTAL MOTOR 提供“高分辨率”步進電機。這些電機的齒距是我們標準電機的一半。轉(zhuǎn)子有 100 個齒，齒間夾角為 3.6°。當(dāng)電機移動 1/4 齒距時，它移動 0.9°。我們的“高分辨率”型號的分辨率是標準型號的兩倍，每轉(zhuǎn) 400 步，而每轉(zhuǎn) 200 步。

較小的步進角意味著較低的振動，因為我們沒有每一步都走得那么遠。

結(jié)構(gòu)

下圖顯示了 5 相步進電機的橫截面。步進電機主要由兩部分組成：定子和轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子又由三個部件組成：轉(zhuǎn)子杯 1、轉(zhuǎn)子杯 2 和永磁體。轉(zhuǎn)子在軸向方向被磁化，因此，例如，如果轉(zhuǎn)子杯 1 被極化為北極，則轉(zhuǎn)子杯 2 將被極化為南極。

定子有10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。（使電流流過給定繞組會磁化相同極性（即北極或南極）的相對對極。）

相對的一對磁極構(gòu)成一個相。由于這種特殊的電機有 10 個磁極，即 5 個相，因此稱為 5 相步進電機。

每個轉(zhuǎn)子的外周有 50 個齒，轉(zhuǎn)子杯 1 和轉(zhuǎn)子杯 2 的齒彼此機械偏移半個齒距。

速度-扭矩

知道如何閱讀速度-扭矩曲線非常重要，因為它會告訴我們電機可以做什么和不能做什么。速度-扭矩曲線代表給定的電機和給定的驅(qū)動器。電機運行后，其扭矩取決于驅(qū)動器類型和電壓。當(dāng)與不同的驅(qū)動器一起使用時，相同的電機可能具有非常不同的速度-扭矩曲線。

ORIENTAL MOTOR給出速度-扭矩曲線供參考。如果電機與類似的驅(qū)動器一起使用，具有類似的電壓和類似的電流，您應(yīng)該獲得類似的性能。參考下面的交互速度-扭矩曲線：

讀取速度-扭矩曲線

保持扭矩
當(dāng)額定電流流過繞組時，電機在靜止時產(chǎn)生的扭矩量。

啟動/停止區(qū)域
電機可以立即啟動、停止或反轉(zhuǎn)的值。

牽引扭矩
電機可以與輸入脈沖同步啟動、停止或反轉(zhuǎn)的扭矩和速度值。

Pullout Torque
電機可以與輸入相位同步運行的扭矩和速度值。電機在不失速的情況下可以提供的最大值。

最大啟動速度
電機在空載時可以啟動的最大速度。

最大運行速度
電機運行的最快速度，在無負載的情況下測得。

為了在拉入和拉出之間的區(qū)域運行，電機必須首先在啟動/停止區(qū)域啟動。然后增加脈沖率，直到達到所需的速度。停止時，電機速度會降低，直到它低于牽引扭矩曲線。

扭矩與電流和導(dǎo)線匝數(shù)成正比。如果我們想增加20%的扭矩，我們應(yīng)該增加20%左右的電流。同樣，如果我們想將扭矩降低 50%，則將電流降低 50%。

由于磁飽和，將電流增加到額定電流的 2 倍以上沒有任何優(yōu)勢。那時電流的增加不會增加扭矩。在大約 10 倍的額定電流下，您將面臨轉(zhuǎn)子消磁的風(fēng)險。

我們所有的電機都具有 B 級絕緣，并且在絕緣降級之前可以承受 130°C 的溫度。如果我們允許從內(nèi)到外有 30° 的溫差，則外殼不應(yīng)超過 100°C。

電感影響高速扭矩。電感是電機沒有達到無窮大的高扭矩的原因。每個電機繞組都有一定的電感和電阻值。以亨利為單位的電感除以以歐姆為單位的電阻，得出秒的值。該秒數(shù)（時間常數(shù)）是線圈充電至其額定值的 63% 所需的時間。如果電機的額定電流為 1 安培，經(jīng)過 1 個時間常數(shù)后，線圈的電流將為 0.63 安培。在大約 4 或 5 個時間常數(shù)后，線圈將達到 1 安培。由于扭矩與電流成正比，如果電流僅充電至 63%，電機在 1 個時間常數(shù)后將只有其扭矩的 63% 左右。

在低速時，這不是問題。電流可以足夠快地進出線圈，因此電機具有額定轉(zhuǎn)矩。然而，在高速下，電流無法在切換下一相之前足夠快地進入。扭矩減小。

驅(qū)動器電壓在高速性能中起著很大的作用。驅(qū)動電壓與電機電壓之比越高，高速性能越好。高壓迫使電流以比上述 63% 更快的速度流入繞組。

振動

當(dāng)步進電機從一步移動到下一步時，轉(zhuǎn)子不會立即停止。轉(zhuǎn)子實際上通過了最終位置，被拉回，以相反的方向通過最終位置并繼續(xù)前后移動，直到它最終停止（見下面的交互圖）。我們稱之為“振鈴”，電機每走一步都會發(fā)生這種情況。類似于彈力繩，動量使轉(zhuǎn)子經(jīng)過其停止點，然后來回“彈跳”，直到最終停止。然而，在大多數(shù)情況下，電機會在停止之前被命令移動到下一步。

下圖顯示了不同負載條件下的振鈴。卸載時，電機會發(fā)出很多響聲。很多鈴聲意味著很多振動。如果電機空載或輕載，電機通常會失速，因為振動太高會失去同步。測試步進電機時，務(wù)必確保添加負載。

另外兩個圖表顯示了帶負載的電機。正確加載電機將平滑其性能。負載應(yīng)要求電機可產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的 30% 至 70% 之間，負載慣量與轉(zhuǎn)子慣量之比應(yīng)在 1:1 至 10:1 之間。對于更短、更快的動作，比例應(yīng)該接近 1:1 到 3:1。

ORIENTAL MOTOR 應(yīng)用專家和工程師可以協(xié)助確定合適的尺寸。

當(dāng)輸入脈沖頻率與電機的固有頻率匹配時，電機會出現(xiàn)更劇烈的振動。這稱為共振，通常發(fā)生在 200Hz 左右。在共振中，過沖和下沖變得更大，漏步的機會也更高。共振隨負載慣性而變化，但通常在200Hz左右。

兩相步進電機只能以四組為一組進行失步。如果您錯過了四的倍數(shù)的步數(shù)，則振動會導(dǎo)致失去同步性，或者負載太大。如果錯過的步驟不是四的倍數(shù)，則很可能是錯誤的脈沖數(shù)或電噪聲導(dǎo)致了問題。

有多種方法可以避免共振。最簡單的方法是完全避免這種速度。對于 60 rpm 的兩相電機，200 Hz 并不是非常快。大多數(shù)電機的最大啟動速度約為 1000 pps 左右。所以在大多數(shù)情況下，您可以以高于諧振速度的速度啟動電機。

如果您必須以低于共振速度的速度啟動，請快速加速通過共振范圍。

另一種解決方案是使步距角更小。對于更大的步距角，電機總是會過沖和下沖更多。如果電機不需要走很遠，它就不會產(chǎn)生足夠的力（扭矩）來過沖。只要步距角變小，電機就不會振動那么大。這就是半步和微步系統(tǒng)在減少振動方面如此有效的原因。

確保電機的尺寸適合負載。通過選擇合適的電機，您可以提高性能。

阻尼器也可用。阻尼器安裝在電機的后軸上并吸收一些振動能量。他們通常會廉價地平滑振動電機。

五相步進電機

步進電機中一項相對較新的技術(shù)是 5 相。2 相和 5 相（見下面的交互圖）之間最明顯的區(qū)別是定子極數(shù)。2 相電機有 8 個極，每相 4 個，而 5 相電機有 10 個極，每相 2 個。轉(zhuǎn)子與二相電機相同。

While the 2-phase motor moves 1/4 tooth pitch each phase. The 5-phase, because of its construction, moves 1/10 of a tooth pitch. Since the pitch is still 7.2°, the step angle is 0.72°. Simply based on construction, the resolution of the 5-phase has 500 steps per revolution versus the 2-phase with 200 steps per revolution. The 5-phase offers a resolution 2.5 times better than that of the 2-phase.

分辨率越高，步距角越小，從而減少振動。由于 5 相步進角比 2 相小 2.5 倍，因此振鈴和振動要低得多。在 2 相和 5 相中，轉(zhuǎn)子必須過沖或下沖超過 3.6° 才能失步。由于5相的步距角僅為0.72°，電機幾乎不可能出現(xiàn)3.6°的過沖或下沖。與 5 相步進電機失去同步的可能性非常低。

驅(qū)動方式

步進電機有四種不同的驅(qū)動方式：

波驅(qū)動（整步）

2 相開啟（整步）

1-2 Phases On（半步）

微步

波浪驅(qū)動

在下圖中，波驅(qū)動方法已被簡化以更好地說明該理論。在圖中，每旋轉(zhuǎn) 90° 代表實際電機中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 1.8°。

在波驅(qū)動方式（也稱為1相ON方式）中，一次只接通一相。當(dāng)我們給A相的a南極通電時，它就吸引了轉(zhuǎn)子的北極。我們關(guān)閉 A 并打開 B，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 90°（1.8°），依此類推。每次只有一相通電。

波浪驅(qū)動器有一個四步電氣序列來旋轉(zhuǎn)電機。

2 相開

在“2 相接通”方法中，兩相始終通電。

同樣在下圖中，每 90° 代表旋轉(zhuǎn) 1.8°。如果A相和B相都通電為南極，則轉(zhuǎn)子的北極將被同等地吸引到兩極并直接在中間排成一行。隨著相的順序通電，轉(zhuǎn)子將旋轉(zhuǎn)以在兩個通電極之間對齊。

“2 相啟動”方法有一個四步電氣序列來旋轉(zhuǎn)電機。

ORIENTAL MOTOR的標準2相和2相M型電機采用“2 phase on”方式。

“2 phase on”方法比“1 phase on”方法有什么優(yōu)勢？答案是扭矩。在“1 phase on”方法中，一次只打開一相，因此我們有一個單位的扭矩作用在轉(zhuǎn)子上。在“2 相”方法中，我們有兩個單位的扭矩作用在轉(zhuǎn)子上，1 個在 12 點鐘位置，1 個在 3 點鐘位置。如果我們將這兩個扭矩矢量加在一起，我們會得到一個 45° 的結(jié)果，幅度要大 41.4%。通過使用“2 phase on”方法，我們可以獲得與“1 phase on”方法相同的步距角，但扭矩增加了 41%。

五相電機有點不同。我們不使用“兩相開啟”方法，而是使用“四相開啟”方法。每次我們打開其中的 4 個相，電機就會走一步。

五相電機經(jīng)過 10 步電氣序列。

1-2 Phases On（半步）

“1-2 階段”方法或半步結(jié)合了前面兩種方法。在這種情況下，我們?yōu)?A 相通電。轉(zhuǎn)子排成一行。此時，我們保持 A 相開啟并為 B 相通電?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)子同樣被吸引到中間的兩條線上。轉(zhuǎn)子已旋轉(zhuǎn) 45° (0.9°)?，F(xiàn)在我們關(guān)閉 A 相，但保留 B 相。電機再走一步。等等等等。通過在一相和兩相之間交替，我們將步距角減半。請記住，步距角越小，振動越小。

（對于 5 相電機，我們在 4 相和 5 相之間交替開啟。）

半步模式具有八步電序列。對于采用“4-5 相接通”方法的五相電機，電機經(jīng)過 20 步電氣序列。

微步

微步進是一種使小步更小的方法。步長越小，分辨率越高，振動特性越好。在微步進中，相位不是完全打開或完全關(guān)閉。它部分打開。正弦波應(yīng)用于 A 相和 B 相，相隔 90°（在五相步進電機中為 0.9°）。

當(dāng)最大功率在A相時，B相為零。轉(zhuǎn)子將與 A 相對齊。隨著流向 A 相的電流減小，流向 B 相的電流增加。轉(zhuǎn)子將向 B 相移動微小的步幅，直到 B 相達到最大值且 A 相為零。該過程圍繞其他階段繼續(xù)進行，我們有微步進。

有一些與微步相關(guān)的問題，主要是精度和扭矩。由于相位只有部分通電，因此電機轉(zhuǎn)矩降低，通常降低約 30%。也因為步之間的轉(zhuǎn)矩差太小，電機有時不能克服負載。在這些情況下，可能會命令電機在實際開始移動之前移動 10 步。在許多情況下，有必要使用增加價格的編碼器來關(guān)閉回路。

步進電機系統(tǒng)

開環(huán)系統(tǒng)

閉環(huán)系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)

開環(huán)

步進電機設(shè)計為開環(huán)系統(tǒng)。脈沖發(fā)生器向相序電路發(fā)送脈沖。相序器確定哪些相位需要關(guān)閉或打開，如全步和半步信息中所述。定序器控制大功率 FET，然后轉(zhuǎn)動電機。

然而，對于開環(huán)系統(tǒng)，沒有位置驗證，也無法知道電機是否按照指令移動。

閉環(huán)

最流行的閉環(huán)方法是在雙軸電機的后軸上添加一個編碼器。編碼器由一個薄圓盤組成，上面有線條。光盤在發(fā)射器和接收器之間通過。每當(dāng)一條線出現(xiàn)在兩者之間時，就會在信號線上輸出一個脈沖。這些脈沖被反饋到控制器，控制器對它們進行計數(shù)。通常，在移動結(jié)束時，控制器會將發(fā)送到驅(qū)動器的脈沖數(shù)與發(fā)送回的編碼器脈沖數(shù)進行比較。通常會寫一個例程，如果兩個數(shù)字不同，則彌補差異。如果數(shù)字相同，則沒有錯誤發(fā)生并且運動繼續(xù)。

這種方法有兩個缺點：成本（和復(fù)雜性）和響應(yīng)。編碼器的額外成本以及控制器復(fù)雜性的增加增加了系統(tǒng)成本。此外，由于修正（如果有的話）是在移動結(jié)束時完成的，因此可以將額外的時間添加到系統(tǒng)中。

伺服系統(tǒng)

另一種選擇是伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)通常是一種低極數(shù)電機，可提供高速但沒有固有的定位能力。要使其成為位置設(shè)備，需要反饋，通常是編碼器或分解器，以及控制回路。伺服基本上是打開和關(guān)閉的，直到解析器計數(shù)達到某個點。因此，伺服基于誤差工作。例如，命令伺服器移動 100 轉(zhuǎn)。解析器計數(shù)讀數(shù)為零，電機啟動。當(dāng)解析器計數(shù)達到 100 轉(zhuǎn)時，電機關(guān)閉。如果位置偏斜，電機將重新打開以使其回到原位。伺服如何響應(yīng)錯誤取決于增益設(shè)置。如果增益設(shè)置高，電機將非常快速地響應(yīng)任何誤差變化。如果增益設(shè)置較低，電機不會對誤差變化做出快速響應(yīng)。但是，任何涉及時間增益設(shè)置的時間延遲都會引入運動控制系統(tǒng)。

AlphaStep 閉環(huán)步進電機系統(tǒng)

AlphaStep是東方電機革命性的步進電機產(chǎn)品。AlphaStep 有一個提供位置反饋的內(nèi)置解析器。在所有時間點，我們都知道轉(zhuǎn)子在哪里。

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AlphaStep 驅(qū)動程序有一個輸入計數(shù)器。計算進入驅(qū)動器的所有脈沖。解析器反饋到轉(zhuǎn)子位置計數(shù)器。偏差計數(shù)器中存在任何偏差。通常電機運行開環(huán)。我們制作扭矩矢量，電機跟隨。如果偏差計數(shù)器顯示任何大于 ± 1.8° 的值，相序器將在扭矩位移曲線的較高部分打開扭矩矢量，產(chǎn)生最大扭矩以使轉(zhuǎn)子恢復(fù)同步。如果電機關(guān)閉幾步，則定序器會在扭矩位移曲線的較高部分激活多個扭矩矢量。驅(qū)動程序最多可以處理 5 秒的過載。如果不能在 5 秒內(nèi)使電機恢復(fù)同步，驅(qū)動器將出現(xiàn)故障并發(fā)出警報。

AlphaStep 的一大特點是它可以即時糾正錯過的步驟。它不會等到移動結(jié)束才進行更正。一旦轉(zhuǎn)子回到 1.8° 以內(nèi)，驅(qū)動器就會回到開環(huán)模式并發(fā)出適當(dāng)?shù)南辔荒芰俊?/p>

下圖顯示了扭矩位移曲線以及設(shè)備處于開環(huán)或閉環(huán)模式時的情況。扭矩位移曲線是一相產(chǎn)生的扭矩。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒位移1.8°時產(chǎn)生最大扭矩。如果電機超調(diào)超過 3.6°，則電機只會失步。由于驅(qū)動器在失步 1.8° 時控制扭矩矢量，因此電機不可能失步，除非過載超過 5 秒。

許多人認為 AlphaStep 的步進精度為 ± 1.8°。AlphaStep 的步進精度為 5 弧分 (0.083°)。駕駛員將扭矩矢量控制在 1.8° 之外。一旦在 1.8° 內(nèi)，轉(zhuǎn)子齒將與正在生成的扭矩矢量對齊。AlphaStep 確保正確的齒與扭矩矢量對齊。

AlphaStep 有許多版本。ORIENTAL MOTOR 提供具有多種齒輪比的圓軸和齒輪版本，以提高分辨率和扭矩或減少反射慣性。幾乎所有版本都可以配備故障安全磁力制動器。ORIENTAL MOTOR 也有稱為 ASC 系列的 24 VDC 版本。

結(jié)論

總之，步進電機非常適合定位應(yīng)用。只需改變脈沖數(shù)及其頻率，就可以在距離和速度方面精確控制步進電機。它們的高極數(shù)使它們具有準確性，同時它們運行開環(huán)。如果尺寸適合應(yīng)用，步進電機將永遠不會錯過任何一步。而且因為它們不需要位置反饋，所以它們非常具有成本效益。

　　審核編輯：湯梓紅