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步進(jìn)電機(jī)特性以及如何選型？
日期：2023-05-10
隨著控制電機(jī)重要性的增加，控制電機(jī)的使用量也逐年增加。步進(jìn)電機(jī)是一種控制電機(jī)，不使用反饋回路，就能進(jìn)行速度控制及定位控制，即所謂的電機(jī)開環(huán)控制。
其應(yīng)用主要以處理辦公業(yè)務(wù)能力很強(qiáng)的OA機(jī)器和 FA機(jī)器為核心，并廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、計(jì)量?jī)x器、汽車、游戲機(jī)等。就數(shù)量來講，0A機(jī)器方面的應(yīng)用約占步進(jìn)電機(jī)使用總數(shù)的75%。
一、步進(jìn)電機(jī)原理
步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來一個(gè)電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一小段距離。
二、分類
電機(jī)有各種分類方式，如用電壓種類分類時(shí)，有AC驅(qū)動(dòng)與DC驅(qū) 動(dòng)；用旋轉(zhuǎn)速度與電源頻率關(guān)系分類時(shí)，則有同步電機(jī)和異步電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)屬于DC驅(qū)動(dòng)的同步電機(jī)，但無法直接用DC或AC電源來驅(qū)動(dòng)，需要配備驅(qū)動(dòng)器才能使用。所以步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行需要驅(qū)動(dòng)電路。此點(diǎn)與無刷DC電機(jī)相同，無刷DC電機(jī)要使用驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路將電機(jī)定子與DC電源連接在一起工作。
三、步進(jìn)電機(jī)特性
步進(jìn)電機(jī)的基本特性包括電機(jī)靜態(tài)特性、連續(xù)運(yùn)動(dòng)特性（動(dòng)態(tài)特性）、電機(jī)啟動(dòng)特性和電機(jī)制動(dòng)特性（暫態(tài)特性）。下面分別作介紹：
1、靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性
步進(jìn)電機(jī)的線圈通直流電時(shí)，帶負(fù)載轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩（與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡而產(chǎn)生的恢復(fù)電磁轉(zhuǎn)矩稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩或靜止轉(zhuǎn)矩）與轉(zhuǎn)子功率角的關(guān)系稱為角度-靜止轉(zhuǎn)矩特性，這就是電機(jī)的靜態(tài)特性。
因?yàn)檗D(zhuǎn)子為永磁體，產(chǎn)生的氣隙磁密為正弦分布，所以理論上靜止轉(zhuǎn)矩曲線為正弦波。此角度-靜止轉(zhuǎn)矩特性為步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩能力的重要指標(biāo)，最大轉(zhuǎn)矩越大越好，轉(zhuǎn)矩波形越接近正弦越好。實(shí)際上磁極下存在齒槽轉(zhuǎn)矩，使合成轉(zhuǎn)矩發(fā)生畸變，如兩相電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩為靜止轉(zhuǎn)矩角度周期的4倍諧波，加在正弦的靜止轉(zhuǎn)矩上，則上圖所示的轉(zhuǎn)矩為：
TL=TMsin[(θL/θM)π/2]
其中TL與TM各表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩和最大靜止轉(zhuǎn)矩（或稱把持轉(zhuǎn)矩），相對(duì)應(yīng)的功率角為θL和θM，此位移角的變化決定了步進(jìn)電機(jī)位置精度。根據(jù)上式得到：
θL=(2θM/π)arcsin(TL/TM)
PM型永磁步進(jìn)電機(jī)和HB混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角θs在前面的課程中講過即：θs=180°/PNr，角度改為機(jī)械角度（弧度），則變成下式：
θs=π/(2Nr)
上式Nr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)或極對(duì)數(shù)，所以兩相電機(jī)θM=θs。
2、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性
動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性包括驅(qū)動(dòng)脈沖頻率-轉(zhuǎn)矩特性和驅(qū)動(dòng)脈沖頻率-慣量特性。
1）脈沖頻率-轉(zhuǎn)矩特性
脈沖頻率-轉(zhuǎn)矩特性是選用步進(jìn)電機(jī)的重要特性。如下圖所示，縱軸為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩（dynamic torque），橫軸取響應(yīng)脈沖頻率，響應(yīng)脈沖頻率用pps作為單位，即每秒的脈沖數(shù)表示。
步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生包括失步轉(zhuǎn)矩（pull-out-torque）和牽入轉(zhuǎn)矩（pull-in-torque）兩個(gè)轉(zhuǎn)矩。前者稱為失步或丟失轉(zhuǎn)矩，后者稱為起動(dòng)或牽入轉(zhuǎn)矩。牽入轉(zhuǎn)矩范圍為從零到最大自起動(dòng)脈沖頻率或最大自起動(dòng)頻率區(qū)域。牽入曲線包圍的區(qū)域稱為自起動(dòng)區(qū)域。電機(jī)同步進(jìn)行正反轉(zhuǎn)起動(dòng)運(yùn)行，在牽入與失步區(qū)域之間為運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)，電機(jī)在此區(qū)域內(nèi)可帶相應(yīng)負(fù)載同步連續(xù)運(yùn)行，超出范圍的負(fù)載轉(zhuǎn)矩將不能連續(xù)運(yùn)行，出現(xiàn)失步現(xiàn)象。步進(jìn)電機(jī)為開環(huán)驅(qū)動(dòng)控制，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩之間要有裕度，其值應(yīng)為50%~80%。
2）脈沖頻率-慣量特性
步進(jìn)電機(jī)在帶慣性負(fù)載快速起動(dòng)時(shí)，須有足夠的起動(dòng)加速度。因此如負(fù)載的慣量增加，則起動(dòng)脈沖頻率就下降，為此，在選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)對(duì)兩者要進(jìn)行綜合考慮。
3、暫態(tài)轉(zhuǎn)矩特性
由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量作用，即使空載運(yùn)行一步，也會(huì)產(chǎn)生超越角(over-shoot），并在超越角與返回角（under-shoot）之間來回振蕩，經(jīng)過哀減后靜止于所定角度，此為步進(jìn)電機(jī)暫態(tài)響應(yīng)特性。
其應(yīng)用主要以處理辦公業(yè)務(wù)能力很強(qiáng)的OA機(jī)器和 FA機(jī)器為核心，并廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、計(jì)量?jī)x器、汽車、游戲機(jī)等。就數(shù)量來講，0A機(jī)器方面的應(yīng)用約占步進(jìn)電機(jī)使用總數(shù)的75%。
一、步進(jìn)電機(jī)原理
步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來一個(gè)電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一小段距離。
二、分類
電機(jī)有各種分類方式，如用電壓種類分類時(shí)，有AC驅(qū)動(dòng)與DC驅(qū) 動(dòng)；用旋轉(zhuǎn)速度與電源頻率關(guān)系分類時(shí)，則有同步電機(jī)和異步電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)屬于DC驅(qū)動(dòng)的同步電機(jī)，但無法直接用DC或AC電源來驅(qū)動(dòng)，需要配備驅(qū)動(dòng)器才能使用。所以步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行需要驅(qū)動(dòng)電路。此點(diǎn)與無刷DC電機(jī)相同，無刷DC電機(jī)要使用驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路將電機(jī)定子與DC電源連接在一起工作。
三、步進(jìn)電機(jī)特性
步進(jìn)電機(jī)的基本特性包括電機(jī)靜態(tài)特性、連續(xù)運(yùn)動(dòng)特性（動(dòng)態(tài)特性）、電機(jī)啟動(dòng)特性和電機(jī)制動(dòng)特性（暫態(tài)特性）。下面分別作介紹：
1、靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性
步進(jìn)電機(jī)的線圈通直流電時(shí)，帶負(fù)載轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩（與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡而產(chǎn)生的恢復(fù)電磁轉(zhuǎn)矩稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩或靜止轉(zhuǎn)矩）與轉(zhuǎn)子功率角的關(guān)系稱為角度-靜止轉(zhuǎn)矩特性，這就是電機(jī)的靜態(tài)特性。
因?yàn)檗D(zhuǎn)子為永磁體，產(chǎn)生的氣隙磁密為正弦分布，所以理論上靜止轉(zhuǎn)矩曲線為正弦波。此角度-靜止轉(zhuǎn)矩特性為步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩能力的重要指標(biāo)，最大轉(zhuǎn)矩越大越好，轉(zhuǎn)矩波形越接近正弦越好。實(shí)際上磁極下存在齒槽轉(zhuǎn)矩，使合成轉(zhuǎn)矩發(fā)生畸變，如兩相電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩為靜止轉(zhuǎn)矩角度周期的4倍諧波，加在正弦的靜止轉(zhuǎn)矩上，則上圖所示的轉(zhuǎn)矩為：
TL=TMsin[(θL/θM)π/2]
其中TL與TM各表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩和最大靜止轉(zhuǎn)矩（或稱把持轉(zhuǎn)矩），相對(duì)應(yīng)的功率角為θL和θM，此位移角的變化決定了步進(jìn)電機(jī)位置精度。根據(jù)上式得到：
θL=(2θM/π)arcsin(TL/TM)
PM型永磁步進(jìn)電機(jī)和HB混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角θs在前面的課程中講過即：θs=180°/PNr，角度改為機(jī)械角度（弧度），則變成下式：
θs=π/(2Nr)
上式Nr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)或極對(duì)數(shù)，所以兩相電機(jī)θM=θs。
2、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性
動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性包括驅(qū)動(dòng)脈沖頻率-轉(zhuǎn)矩特性和驅(qū)動(dòng)脈沖頻率-慣量特性。
1）脈沖頻率-轉(zhuǎn)矩特性
脈沖頻率-轉(zhuǎn)矩特性是選用步進(jìn)電機(jī)的重要特性。如下圖所示，縱軸為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩（dynamic torque），橫軸取響應(yīng)脈沖頻率，響應(yīng)脈沖頻率用pps作為單位，即每秒的脈沖數(shù)表示。
步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生包括失步轉(zhuǎn)矩（pull-out-torque）和牽入轉(zhuǎn)矩（pull-in-torque）兩個(gè)轉(zhuǎn)矩。前者稱為失步或丟失轉(zhuǎn)矩，后者稱為起動(dòng)或牽入轉(zhuǎn)矩。牽入轉(zhuǎn)矩范圍為從零到最大自起動(dòng)脈沖頻率或最大自起動(dòng)頻率區(qū)域。牽入曲線包圍的區(qū)域稱為自起動(dòng)區(qū)域。電機(jī)同步進(jìn)行正反轉(zhuǎn)起動(dòng)運(yùn)行，在牽入與失步區(qū)域之間為運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)，電機(jī)在此區(qū)域內(nèi)可帶相應(yīng)負(fù)載同步連續(xù)運(yùn)行，超出范圍的負(fù)載轉(zhuǎn)矩將不能連續(xù)運(yùn)行，出現(xiàn)失步現(xiàn)象。步進(jìn)電機(jī)為開環(huán)驅(qū)動(dòng)控制，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩之間要有裕度，其值應(yīng)為50%~80%。
2）脈沖頻率-慣量特性
步進(jìn)電機(jī)在帶慣性負(fù)載快速起動(dòng)時(shí)，須有足夠的起動(dòng)加速度。因此如負(fù)載的慣量增加，則起動(dòng)脈沖頻率就下降，為此，在選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)對(duì)兩者要進(jìn)行綜合考慮。
3、暫態(tài)轉(zhuǎn)矩特性
由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量作用，即使空載運(yùn)行一步，也會(huì)產(chǎn)生超越角(over-shoot），并在超越角與返回角（under-shoot）之間來回振蕩，經(jīng)過哀減后靜止于所定角度，此為步進(jìn)電機(jī)暫態(tài)響應(yīng)特性。