步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。作為電力人對(duì)步進(jìn)電機(jī)的也不能僅限于認(rèn)識(shí)而已，應(yīng)該深入了解它的結(jié)構(gòu)、基本原理以及應(yīng)用，接下來(lái)將從三個(gè)方面帶大家全面認(rèn)識(shí)步進(jìn)電機(jī)。

PART1. ? ? ?

01 ? 什么是步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種直接將電脈沖轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的機(jī)電裝置， 通過(guò)控制施加在電機(jī)線圈上的電脈沖順序、 頻率和數(shù)量， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、 速度和旋轉(zhuǎn)角度的控制。在不借助帶位置感應(yīng)的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的情況下、 使用步進(jìn)電機(jī)與其配套的驅(qū)動(dòng)器共同組成的控制簡(jiǎn)便、 低成本的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)， 就可以實(shí)現(xiàn)精確的位置和速度控制。

02 ? 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

基本結(jié)構(gòu)：

? 工作原理： 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)外來(lái)的控制脈沖和方向信號(hào)， 通過(guò)其內(nèi)部的邏輯電路， 控制步進(jìn)電機(jī)的繞組以一定的時(shí)序正向或反向通電， 使得電機(jī)正向/反向旋轉(zhuǎn)， 或者鎖定。 ? 以1.8度兩相步進(jìn)電機(jī)為例：當(dāng)兩相繞組都通電勵(lì)磁時(shí)， 電機(jī)輸出軸將靜止并鎖定位置。在額定電流下使電機(jī)保持鎖定的最大力矩為保持力矩。如果其中一相繞組的電流發(fā)生了變向， 則電機(jī)將順著一個(gè)既定方向旋轉(zhuǎn)一步（ 1.8度）。

同理， 如果是另外一項(xiàng)繞組的電流發(fā)生了變向， 則電機(jī)將順著與前者相反的方向旋轉(zhuǎn)一步（ 1.8度）。當(dāng)通過(guò)線圈繞組的電流按順序依次變向勵(lì)磁時(shí)， 則電機(jī)會(huì)順著既定的方向?qū)崿F(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)， 運(yùn)行精度非常高。對(duì)于1.8度兩相步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周需200步。 ? 兩相步進(jìn)電機(jī)有兩種繞組形式：雙極性和單極性。雙極性電機(jī)每相上只有一個(gè)繞組線圈， 電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)電流要在同一線圈內(nèi)依次變向勵(lì)磁， 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上需要八個(gè)電子開(kāi)關(guān)進(jìn)行順序切換。

單極性電機(jī)每相上有兩個(gè)極性相反的繞組線圈， 電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)只要交替對(duì)同一相上的兩個(gè)繞組線圈進(jìn)行通電勵(lì)磁。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上只需要四個(gè)電子開(kāi)關(guān)。在雙極性驅(qū)動(dòng)模式下， 因?yàn)槊肯嗟睦@組線圈為100%勵(lì)磁， 所以雙極性驅(qū)動(dòng)模式下電機(jī)的輸出力矩比單極性驅(qū)動(dòng)模式下提高了約40%。

PART2. ? ? ?

01 ? 負(fù)載 ? ? A. ?力矩負(fù)載?(Tf)

Tf = G * r

G：?負(fù)載重量 r：?半徑 ? B. ?慣量負(fù)載?(TJ)

TJ = J * dw/dtJ = M * (R12+R22) / 2 (Kg * cm)

M:?負(fù)載質(zhì)量 R1:?外圈半徑 R2:?內(nèi)圈半徑 dω/dt:?角加速度 ? ? ? ? ? 02 ? 速度-力矩曲線 ? ? 速度-力矩曲線是步進(jìn)電機(jī)輸出特性的重要表現(xiàn)形式。

? A. ?工作頻率點(diǎn) 電機(jī)在某一點(diǎn)的轉(zhuǎn)速值。

n?=?q?*?Hz?/?(360?*?D)

n: 轉(zhuǎn)/秒 Hz: 頻率值 D: 驅(qū)動(dòng)電路細(xì)分值 q: 步距角 ? 例如：?距角1.8°的步進(jìn)電機(jī)，?在 1/2 細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式下(即每步?0.9°)?，?工作頻率 500Hz 時(shí)的轉(zhuǎn)速為1.25r/s. ? B. ?自啟動(dòng)區(qū)域 步進(jìn)電機(jī)可以直接啟動(dòng)和停止的區(qū)域。 ? C. ?連續(xù)運(yùn)行區(qū)域 在該區(qū)域內(nèi)，?電機(jī)無(wú)法直接啟動(dòng)或停止。?電機(jī)在該區(qū)域內(nèi)運(yùn)行必須先經(jīng)過(guò)自啟動(dòng)區(qū)域，?然后經(jīng)過(guò)加速達(dá)到該工作區(qū)域運(yùn)行。?同理，?電機(jī)在該區(qū)域內(nèi)也無(wú)法直接制動(dòng)，?否則容易造成電機(jī)失步，?必須先經(jīng)減速到達(dá)自啟動(dòng)區(qū)域內(nèi)再制動(dòng)。 ? D. ?最高啟動(dòng)頻率 電機(jī)空載狀態(tài)下，?保證電機(jī)不丟步運(yùn)行的最大脈沖頻率。 ? E. ?最高運(yùn)行頻率 空載情況下，?已勵(lì)磁電機(jī)運(yùn)行而不丟步的最高脈沖頻率。 ? F. ??啟動(dòng)力矩/牽入力矩 滿(mǎn)足步進(jìn)馬達(dá)在一定脈沖頻率下啟動(dòng)并開(kāi)始運(yùn)行， 不失步的最大負(fù)載力矩。 ? G. ?運(yùn)行力矩/牽出力矩 滿(mǎn)足步進(jìn)馬達(dá)在一定脈沖頻率下穩(wěn)定運(yùn)行，?不失步的最大負(fù)載力矩。

03 ? 加速/減速運(yùn)動(dòng)控制 ? 當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率點(diǎn)在速度-力矩曲線的連續(xù)運(yùn)行區(qū)域內(nèi)時(shí)，?如何縮短電機(jī)啟動(dòng)或停止時(shí)的加速或減速時(shí)間，?使電機(jī)更長(zhǎng)時(shí)間地運(yùn)行在最佳速度狀態(tài)，?從而提高電機(jī)的有效運(yùn)行時(shí)間是非常關(guān)鍵的。 ? 如下圖所示，?步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩特性曲線，?低速運(yùn)行時(shí)曲線為水平直線狀態(tài)；?高速運(yùn)行時(shí)，?由于受到電感的影響，?曲線發(fā)生了指數(shù)下降。 ? A.?低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的直線加速運(yùn)行 已知電機(jī)負(fù)載為T(mén)L，?假設(shè)想從F0?在最短時(shí)間?(t r)內(nèi)加速到F1，?如何來(lái)計(jì)算最短時(shí)間?t r ???

(1)?通常情況下?TJ?=?70%Tm(2)?tr?=?1.8?*?10?-5?*?J?*?q?*?(F1-F0)/(TJ?-TL)(3)?F?(t)?=?(F1-F0)?*?t/tr?+?F0,?0 ? B.?高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的指數(shù)加速運(yùn)行 (1)?通常情況下

TJ0?=?70%Tm0TJ1?=?70%Tm1TL?=?60%Tm1

(2)

tr?=?F4?*?In?[(TJ?0-TL)/(TJ?1-TL)]

? (3)

F (t) = F2 * [1 – e^(-t/F4)] + F0, 0
備注： J 表示電機(jī)轉(zhuǎn)子加負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 q 表示每一步的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，?在整部驅(qū)動(dòng)時(shí)就是指電機(jī)的步距角。 在減速運(yùn)行時(shí)，?只需將上述的加速脈沖頻率反轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)計(jì)算就可以了。

	04 ? 振動(dòng)與噪音 ? 一般來(lái)講， 步進(jìn)電機(jī)在空載運(yùn)行情況下， 當(dāng)電機(jī)的運(yùn)行頻率接近或等于電機(jī)轉(zhuǎn)子的固有頻率時(shí)會(huì)發(fā)生共振，嚴(yán)重的會(huì)發(fā)生失步現(xiàn)象。

	針對(duì)共振的幾種解決方案: A. 避開(kāi)振動(dòng)區(qū)：使電機(jī)的工作頻率不落在振動(dòng)范圍內(nèi)

	B. 采用細(xì)分的驅(qū)動(dòng)模式：使用微步驅(qū)動(dòng)模式， 將原來(lái)的一步細(xì)分為多步運(yùn)行， 提高電機(jī)的每步分辨率， 從而降低振動(dòng)。這可以通過(guò)調(diào)整電機(jī)的相電流比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。微步并不會(huì)增加步距角精確度， 卻能使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)， 噪音更小。一般電機(jī)在半步運(yùn)行時(shí)， 力矩會(huì)比整步時(shí)小15%， 而采用正弦波電流控制時(shí)， 力矩將減小30%。

	PART3. ? ? ?

	01 命名規(guī)則

				AM
			

				17
			

				HD
			

				0
			

				0
			

				01
			

				-
			

				01
		

				1
			

				2
			

				3
			

				4
			

				5
			

				6
			

				?
			

				7
		

				1
			

				產(chǎn)業(yè)機(jī)器專(zhuān)用系列
			

				?
		

				2
			

				機(jī)座號(hào)
			

				電機(jī)外形尺寸 ( 機(jī)座尺寸為英制尺寸的 10 倍 )(6:14mm; 8:20 mm; 11:28mm; 14:35mm; 17:42mm; 23:56mm; 24:60mm;34:86mm; 42:110mm)
		

				3
			

				步距角代號(hào)
			

				HY, HS, HD: 步距角 1.8°
		

				4
			

				鐵芯長(zhǎng)度代號(hào)
			

				?
		

				5
			

				引線數(shù)量
			

				0: 表示插座式電機(jī)4: 引出線 4 根8: 引出線 8 根
		

				6
			

				性能代號(hào)
			

				表示電機(jī)的電流，力矩等性能參數(shù)
		

				7
			

				機(jī)械代號(hào)
			

				表示電機(jī)的出軸、引線、螺釘、剎車(chē)器及編碼器等機(jī)械參數(shù)-E1000D 編碼器型、 -PGXX 減速機(jī)型、 -BR01 永磁式制動(dòng)器型
		

	02 接線圖

	

	03 一般規(guī)格

				規(guī)格
			

				電機(jī)部分
		

				步距角精度
			

				±5% ( 測(cè)試條件：恒流驅(qū)動(dòng)器 /24V/ 兩相通電 / 額定電流 / 整步速度：1rps)
		

				絕緣等級(jí)
			

				B 級(jí) (130°C)
		

				使用環(huán)境（運(yùn)行時(shí)）
			

				環(huán)境溫度
			

				-20 ～ +50°C ( 無(wú)結(jié)冰 )
		

				環(huán)境濕度
			

				85% 以下 ( 無(wú)結(jié)露 )
		

				介質(zhì)環(huán)境
			

				無(wú)腐蝕性氣體及塵埃。不直接接觸水、 油等（標(biāo)準(zhǔn)型保護(hù)等級(jí) IP65 規(guī)格：無(wú)腐蝕性氣體。不直接接觸油。）
		

				溫度上升
			

				溫升小于 80°C ( 溫升是指在一定環(huán)境溫度條件下， 線圈溫度增加的最大值。繞組溫度的測(cè)試采用電阻法。在恒壓驅(qū)動(dòng)模式下，驅(qū)動(dòng)電壓為額定電壓， 兩相通電， 轉(zhuǎn)速為 0pps。在恒流驅(qū)動(dòng)模式下， 驅(qū)動(dòng)電流為額定電流， 兩相通電， 轉(zhuǎn)速為空載起動(dòng)頻率。散熱板：鋁板 160×160×t1.6(mm))
		

				徑向跳動(dòng)
			

				0.050T.I.R.(mm)
		

				徑向竄動(dòng)
			

				0.02mm Max.(500gf)
		

				軸向竄動(dòng)
			

				0.08mm Max.(500gf)
		

				安裝法蘭相對(duì)于轉(zhuǎn)軸的同軸度
			

				0.075T.I.R.(mm)
		

				安裝面相對(duì)于轉(zhuǎn)軸的垂直度
			

				0.100T.I.R.(mm)
		

	04 轉(zhuǎn)軸負(fù)載條件(單位：N)

				機(jī)座型號(hào)
			

				允許徑向負(fù)載(距軸端的距離 L)
			

				允許軸向負(fù)載
		

				0mm
			

				5mm
			

				10mm
			

				15mm
			

				20mm
		

				6HY
			

				12
			

				15
			

				20
			

				---
			

				---
			

				電機(jī)本身重量以下
		

				8HY
			

				12
			

				15
			

				20
			

				---
			

				---
			

				?
		

				11HS
			

				20
			

				25
			

				34
			

				52
			

				---
			

				?
		

				14HS
			

				20
			

				25
			

				34
			

				52
			

				---
			

				?
		

				17HD
			

				20
			

				25
			

				34
			

				52
			

				---
			

				?
		

				23HS
			

				50
			

				60
			

				75
			

				100
			

				150
			

				?
		

				24HS
			

				61
			

				73
			

				90
			

				110
			

				160
			

				?
		

				34HD
			

				260
			

				290
			

				340
			

				390
			

				480
			

				?
		

				42HS
			

				390
			

				435
			

				510
			

				585
			

				720
			

				?
		

	編輯：黃飛

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