來源：市場資訊

（來源：電力四射）

步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。作為電力人對步進電機的也不能僅限于認識而已，應(yīng)該深入了解它的結(jié)構(gòu)、基本原理以及應(yīng)用，接下來小七將從三個方面帶大家全面認識步進電機。

PART1.

01

什么是步進電機

步進電機是一種直接將電脈沖轉(zhuǎn)化為機械運動的機電裝置， 通過控制施加在電機線圈上的電脈沖順序、 頻率和數(shù)量， 可以實現(xiàn)對步進電機的轉(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、 使用步進電機與其配套的驅(qū)動器共同組成的控制簡便、 低成本的開環(huán)控制系統(tǒng)， 就可以實現(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：

步進電機驅(qū)動器根據(jù)外來的控制脈沖和方向信號， 通過其內(nèi)部的邏輯電路， 控制步進電機的繞組以一定的時序正向或反向通電， 使得電機正向/反向旋轉(zhuǎn)， 或者鎖定。

以1.8度兩相步進電機為例：當兩相繞組都通電勵磁時， 電機輸出軸將靜止并鎖定位置。在額定電流下使電機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， 則電機將順著一個既定方向旋轉(zhuǎn)一步（ 1.8度）。

同理， 如果是另外一項繞組的電流發(fā)生了變向， 則電機將順著與前者相反的方向旋轉(zhuǎn)一步（ 1.8度）。當通過線圈繞組的電流按順序依次變向勵磁時， 則電機會順著既定的方向?qū)崿F(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)步進， 運行精度非常高。對于1.8度兩相步進電機旋轉(zhuǎn)一周需200步。

兩相步進電機有兩種繞組形式：雙極性和單極性。雙極性電機每相上只有一個繞組線圈， 電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)時電流要在同一線圈內(nèi)依次變向勵磁， 驅(qū)動電路設(shè)計上需要八個電子開關(guān)進行順序切換。

單極性電機每相上有兩個極性相反的繞組線圈， 電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)時只要交替對同一相上的兩個繞組線圈進行通電勵磁。驅(qū)動電路設(shè)計上只需要四個電子開關(guān)。在雙極性驅(qū)動模式下， 因為每相的繞組線圈為100%勵磁， 所以雙極性驅(qū)動模式下電機的輸出力矩比單極性驅(qū)動模式下提高了約40%。

PART2.

01

負載

A. 力矩負載 (Tf)

Tf = G * r

G： 負載重量

r： 半徑

B. 慣量負載 (TJ)

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

M: 負載質(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-力矩曲線是步進電機輸出特性的重要表現(xiàn)形式。

A. 工作頻率點

電機在某一點的轉(zhuǎn)速值。

n = q * Hz / (360 * D)

n: 轉(zhuǎn)/秒

Hz: 頻率值

D: 驅(qū)動電路細分值

q: 步距角

例如： 距角1.8°的步進電機， 在 1/2 細分驅(qū)動方式下(即每步 0.9°) ， 工作頻率 500Hz 時的轉(zhuǎn)速為1.25r/s.

B. 自啟動區(qū)域

步進電機可以直接啟動和停止的區(qū)域。

C. 連續(xù)運行區(qū)域

在該區(qū)域內(nèi)， 電機無法直接啟動或停止。 電機在該區(qū)域內(nèi)運行必須先經(jīng)過自啟動區(qū)域， 然后經(jīng)過加速達到該工作區(qū)域運行。 同理， 電機在該區(qū)域內(nèi)也無法直接制動， 否則容易造成電機失步， 必須先經(jīng)減速到達自啟動區(qū)域內(nèi)再制動。

D. 最高啟動頻率

電機空載狀態(tài)下， 保證電機不丟步運行的最大脈沖頻率。

E. 最高運行頻率

空載情況下， 已勵磁電機運行而不丟步的最高脈沖頻率。

F. 啟動力矩/牽入力矩

滿足步進馬達在一定脈沖頻率下啟動并開始運行， 不失步的最大負載力矩。

G. 運行力矩/牽出力矩

滿足步進馬達在一定脈沖頻率下穩(wěn)定運行， 不失步的最大負載力矩。

03

加速/減速運動控制

當電機運行頻率點在速度-力矩曲線的連續(xù)運行區(qū)域內(nèi)時， 如何縮短電機啟動或停止時的加速或減速時間， 使電機更長時間地運行在最佳速度狀態(tài)， 從而提高電機的有效運行時間是非常關(guān)鍵的。

如下圖所示， 步進電機的動態(tài)力矩特性曲線， 低速運行時曲線為水平直線狀態(tài)； 高速運行時， 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)下的直線加速運行

已知電機負載為TL， 假設(shè)想從F0 在最短時間 (t r)內(nèi)加速到F1， 如何來計算最短時間 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)加速運行

(1) 通常情況下

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

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

F (t) = F2 * [1 – e^(-t/F4)] + F0, 0F2 = (TL-TJ 0) * (F1-F0)/TJ 1-TJ 0)F4 = 1.8 * 10-5 * J * q * F2/(TJ 0-TL)

J 表示電機轉(zhuǎn)子加負載時的轉(zhuǎn)動慣量。

q 表示每一步的轉(zhuǎn)動角度， 在整部驅(qū)動時就是指電機的步距角。

在減速運行時， 只需將上述的加速脈沖頻率反轉(zhuǎn)過來計算就可以了。

04

振動與噪音

一般來講， 步進電機在空載運行情況下， 當電機的運行頻率接近或等于電機轉(zhuǎn)子的固有頻率時會發(fā)生共振，嚴重的會發(fā)生失步現(xiàn)象。

針對共振的幾種解決方案:

A. 避開振動區(qū)：使電機的工作頻率不落在振動范圍內(nèi)

B. 采用細分的驅(qū)動模式：使用微步驅(qū)動模式， 將原來的一步細分為多步運行， 提高電機的每步分辨率， 從而降低振動。這可以通過調(diào)整電機的相電流比來實現(xiàn)的。微步并不會增加步距角精確度， 卻能使電機運行更加平穩(wěn)， 噪音更小。一般電機在半步運行時， 力矩會比整步時小15%， 而采用正弦波電流控制時， 力矩將減小30%。

PART3.

01

命名規(guī)則

AM

17

HD

0

01

01

1

2

3

4

5

6

7

1

產(chǎn)業(yè)機器專用系列

2

機座號

電機外形尺寸 ( 機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

HY, HS, HD: 步距角 1.8°

4

鐵芯長度代號

5

引線數(shù)量

0: 表示插座式電機4: 引出線 4 根8: 引出線 8 根

6

性能代號

表示電機的電流，力矩等性能參數(shù)

7

機械代號

表示電機的出軸、引線、螺釘、剎車器及編碼器等機械參數(shù)-E1000D 編碼器型、 -PGXX 減速機型、 -BR01 永磁式制動器型

02

接線圖

03

一般規(guī)格

規(guī)格

電機部分

步距角精度

±5% ( 測試條件：恒流驅(qū)動器 /24V/ 兩相通電 / 額定電流 / 整步速度：1rps)

絕緣等級

B 級 (130°C)

使用環(huán)境（運行時）

環(huán)境溫度

-20 ～ +50°C ( 無結(jié)冰 )

環(huán)境濕度

85% 以下 ( 無結(jié)露 )

介質(zhì)環(huán)境

無腐蝕性氣體及塵埃。不直接接觸水、 油等（標準型保護等級 IP65 規(guī)格：無腐蝕性氣體。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。繞組溫度的測試采用電阻法。在恒壓驅(qū)動模式下，驅(qū)動電壓為額定電壓， 兩相通電， 轉(zhuǎn)速為 0pps。在恒流驅(qū)動模式下， 驅(qū)動電流為額定電流， 兩相通電， 轉(zhuǎn)速為空載起動頻率。散熱板：鋁板 160×160×t1.6(mm))

徑向跳動

0.050T.I.R.(mm)

徑向竄動

0.02mm Max.(500gf)

軸向竄動

0.08mm Max.(500gf)

安裝法蘭相對于轉(zhuǎn)軸的同軸度

0.075T.I.R.(mm)

安裝面相對于轉(zhuǎn)軸的垂直度

0.100T.I.R.(mm)

04

轉(zhuǎn)軸負載條件(單位：N)

機座型號

允許徑向負載(距軸端的距離 L)

允許軸向負載

0mm

5mm

10mm

15mm

20mm

6HY

12

15

20

電機本身重量以下

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

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