步進電(diàn)機(jī)特性以及如(rú)何選型？
日(rì)期：2023-05-10
随著(zhe)控制(zhì)電(diàn)機(jī)重要(yào)性的(de)增加，控制(zh×♣→✘ì)電(diàn)機(jī)的(de)使用(yòng)δ¥量也(yě)逐年(nián)增加。步進電(diàn)機(jī)是(shì)一(yī)種控¥δ""制(zhì)電(diàn)機(jī)，不(bù)使用(yòngγ☆)反饋回路(lù)，就(jiù)能(néng)進行(xíng)速度控制(zhì)及定∑₹↔位控制(zhì)，即所謂的(de)電(diàn)機(jī)開(kā"✔i)環控制(zhì)。
其應用(yòng)主要(yào)以處理(lǐ)辦公業(yè)務能(néng)力很(hěn)強的♣÷(de)OA機(jī)器(qì)和(hé) FA機(jī)器(qì)為(wèi)核心®₹♥，并廣泛應用(yòng)于醫(yī)療器(qì)械、計(jì)量儀器(qì)、汽車(chē)、✔£π遊戲機(jī)等。就(jiù)數(shù)量來(lái)講，0A機(jī)器(qì)方✔£δ面的(de)應用(yòng)約占步進電(diàn)機(jī)使用(yòng)總數(shù)的(•βde)75%。
一(yī)、步進電(diàn)機(jī)原理(lǐ)
步進電(diàn)機(jī)是(shì)利用(yòng)電(diàn)磁鐵('€tiě)原理(lǐ)，将脈沖信号轉換成線位移或角位移的(de)電(diàn)機(jī)。每來(£ lái)一(yī)個(gè)電(diàn)脈沖，電(diàn)機(jī)&✔>轉動一(yī)個(gè)角度，帶動機(jī)械移動一(yī)小(xiǎo)段距離(lΩφ≠í)。
二、分(fēn)類
電(diàn)機(jī)有(yǒu)各種分(fēn)類方式，如(rú)用(yòng)電(•±↑diàn)壓種類分(fēn)類時(shí)，有(yǒu)AC驅動與₽γ÷♠DC驅 動；用(yòng)旋轉速度與電(diàn)源頻♠>(pín)率關系分(fēn)類時(shí)，則有(yǒ<±≈u)同步電(diàn)機(jī)和(hé)異步電(diàn§≠♦)機(jī)。
步進電(diàn)機(jī)屬于DC驅動的(de)同步 ★✘≥電(diàn)機(jī)，但(dàn)無法直接用(yòng)DC或AC電(di↔₽™àn)源來(lái)驅動，需要(yào)配備驅動器(qì)才能(néng)使用(yòng)。所α₹以步進電(diàn)機(jī)的(de)運行(xíng)需要(yào)驅動電(diàn)路™'λφ(lù)。此點與無刷DC電(diàn)機(jī)相(xiàng)同，無刷DC電(diàε→π>n)機(jī)要(yào)使用(yòng)驅動電(diàn)路(l₹≤↕±ù)，驅動電(diàn)路(lù)将電(diàn)機(jī)定子(>¶zǐ)與DC電(diàn)源連接在一(yī)起工(gōng)作(zuò)。
三、步進電(diàn)機(jī)特性
步進電(diàn)機(jī)的(de)基本特性包括電(diàn)機(jβ→ī)靜(jìng)态特性、連續運動特性（動态特性）、電(diàn)機(jī)啓動特性和(hé)電λ㙀(diàn)機(jī)制(zhì)動特性（暫态特性）。下(xià)面分(fēn)别作₽ (zuò)介紹：
1、靜(jìng)态轉矩特性
步進電(diàn)機(jī)的(de)線圈通(tōng©≈)直流電(diàn)時(shí)，帶負載轉子(zǐ)的(de)★±電(diàn)磁轉矩（與負載轉矩平衡而産生(shēng)的(de)恢複電÷¥↑✔(diàn)磁轉矩稱為(wèi)靜(jìng)态轉矩或靜(jìng)止轉矩）與®÷轉子(zǐ)功率角的(de)關系稱為(wèi)角度-靜(jìng)止轉矩特性，這(zhè)< ∞就(jiù)是(shì)電(diàn)機(jī)的(de)靜(jìng)态特性。
因為(wèi)轉子(zǐ)為(wèi)永磁體(tǐ)，産生(shēng)的( φde)氣隙磁密為(wèi)正弦分(fēn)布，所以理(lǐ)論上(shàng)靜(jìng)止轉↕≥÷★矩曲線為(wèi)正弦波。此角度-靜(jìng)止轉矩特性為(wè♦βi)步進電(diàn)機(jī)産生(shēng)電(diàn)磁轉矩能(nΩéng)力的(de)重要(yào)指标，最大(dà)轉矩越大(dà)越好(hǎo)，轉矩π×γ☆波形越接近(jìn)正弦越好(hǎo)。實際上(shàng)磁極下(xδ↔±"ià)存在齒槽轉矩，使合成轉矩發生(shēng)畸變，如(r>∏ú)兩相(xiàng)電(diàn)機(jī)的(de)齒槽轉矩為(w ©èi)靜(jìng)止轉矩角度周期的(de)4倍諧波，加在正弦的(de)靜(j♣¥©ìng)止轉矩上(shàng)，則上(shàng)圖所示的(de)轉矩為(wèi)：
TL=TMsin[(θL/θM)π/2]
其中TL與TM各表示負載轉矩和(hé)最大(dà)靜(jìng)止轉矩（或稱把持轉矩），相(xià∑∞ng)對(duì)應的(de)功率角為(wèi)&theta₽Ω;L和(hé)θM，此位移角的(de)變化(huà)決定了(le)步進電(diàn≥$)機(jī)位置精度。根據上(shàng)式得(de)到(dào)：
θL=(2θM/π)ar<®csin(TL/TM)
PM型永磁步進電(diàn)機(jī)和(hé)HB混合式步進電(diàn)機(jī'₽)的(de)步距角θs在前面的(de)課程中講過即：&®εβtheta;s=180°/PNr，角度改為(wèi)機(jī)械÷¥♥♠角度（弧度），則變成下(xià)式：
θs=π/(2Nr)
上(shàng)式Nr為(wèi)轉子(zǐ)齒數(shù)✘✘¶或極對(duì)數(shù)，所以兩相(xiàng)電(diàn)機(jī)&t↕¥heta;M=θs。
2、動态轉矩特性
動态轉矩特性包括驅動脈沖頻(pín)率-轉矩特性和(hé)驅動脈沖頻(pín)率-™☆ 慣量特性。
1）脈沖頻(pín)率-轉矩特性
脈沖頻(pín)率-轉矩特性是(shì)選用(yòng)步進電(diàn)機(jī)的" ★×(de)重要(yào)特性。如(rú)下(xià)圖所示，縱軸為(wè♦™i)動态轉矩（dynamic torque），橫軸取響應脈沖頻(pín)∞₹"↔率，響應脈沖頻(pín)率用(yòng)pps作(z ≥∞uò)為(wèi)單位，即每秒(miǎo)的(de)脈沖數(shù)表示。
步進電(diàn)機(jī)的(de)動态轉矩産生(shēng)包括失步轉矩（pull-out♥ε ™-torque）和(hé)牽入轉矩（pull-in-torquπ e）兩個(gè)轉矩。前者稱為(wèi)失步或丢失轉矩，後者稱為(wèi)起動或牽入 ≈€♣轉矩。牽入轉矩範圍為(wèi)從(cóng)零到(dào)最大(dà)自(≠Ω↑zì)起動脈沖頻(pín)率或最大(dà)自(zì)起↓"動頻(pín)率區(qū)域。牽入曲線包圍的(de)區(qū)域稱為(wèiσ©)自(zì)起動區(qū)域。電(diàn)機(jī≤')同步進行(xíng)正反轉起動運行(xíng)，在牽入與失步區(qū)域之間(jiān)為(wè§i)運轉區(qū)，電(diàn)機(jī)在此區(qū)域內'↔(nèi)可(kě)帶相(xiàng)應負載同步連續運行(xíng<↑)，超出範圍的(de)負載轉矩将不(bù)能(néng)連€'¶續運行(xíng)，出現(xiàn)失步現(xiàn)象。步進電(diàn)機(jī)為↕&(wèi)開(kāi)環驅動控制(zhì)，其負載轉矩與電(diàn)磁轉矩之間(jiān)$αα要(yào)有(yǒu)裕度，其值應為(wèi)50%~80%。
2）脈沖頻(pín)率-慣量特性
步進電(diàn)機(jī)在帶慣性負載快(kuài)速起動時 ≤₽(shí)，須有(yǒu)足夠的(de)起動加速度。因此如&↕€(rú)負載的(de)慣量增加，則起動脈沖頻(pín)率就(jε♣iù)下(xià)降，為(wèi)此，在選擇步進電(diàn)機(jī)時(shí)對→±(duì)兩者要(yào)進行(xíng)綜合考慮。
3、暫态轉矩特性
由于步進電(diàn)機(jī)轉子(zǐ)慣量作(zuò)用(yòng)™，即使空(kōng)載運行(xíng)一(yī)步，也("¶φ♣yě)會(huì)産生(shēng)超越角(over-shoot），并在β↔×超越角與返回角（under-shoot）之間(jiān)來(lái)回振蕩，經過哀減後靜(≈ jìng)止于所定角度，此為(wèi)步進電(dià€₩n)機(jī)暫态響應特性。
其應用(yòng)主要(yào)以處理(lǐ)辦公業(yè)務能(néng)力很(hěn)強的♣÷(de)OA機(jī)器(qì)和(hé) FA機(jī)器(qì)為(wèi)核心®₹♥，并廣泛應用(yòng)于醫(yī)療器(qì)械、計(jì)量儀器(qì)、汽車(chē)、✔£π遊戲機(jī)等。就(jiù)數(shù)量來(lái)講，0A機(jī)器(qì)方✔£δ面的(de)應用(yòng)約占步進電(diàn)機(jī)使用(yòng)總數(shù)的(•βde)75%。
一(yī)、步進電(diàn)機(jī)原理(lǐ)
步進電(diàn)機(jī)是(shì)利用(yòng)電(diàn)磁鐵('€tiě)原理(lǐ)，将脈沖信号轉換成線位移或角位移的(de)電(diàn)機(jī)。每來(£ lái)一(yī)個(gè)電(diàn)脈沖，電(diàn)機(jī)&✔>轉動一(yī)個(gè)角度，帶動機(jī)械移動一(yī)小(xiǎo)段距離(lΩφ≠í)。
二、分(fēn)類
電(diàn)機(jī)有(yǒu)各種分(fēn)類方式，如(rú)用(yòng)電(•±↑diàn)壓種類分(fēn)類時(shí)，有(yǒu)AC驅動與₽γ÷♠DC驅 動；用(yòng)旋轉速度與電(diàn)源頻♠>(pín)率關系分(fēn)類時(shí)，則有(yǒ<±≈u)同步電(diàn)機(jī)和(hé)異步電(diàn§≠♦)機(jī)。
步進電(diàn)機(jī)屬于DC驅動的(de)同步 ★✘≥電(diàn)機(jī)，但(dàn)無法直接用(yòng)DC或AC電(di↔₽™àn)源來(lái)驅動，需要(yào)配備驅動器(qì)才能(néng)使用(yòng)。所α₹以步進電(diàn)機(jī)的(de)運行(xíng)需要(yào)驅動電(diàn)路™'λφ(lù)。此點與無刷DC電(diàn)機(jī)相(xiàng)同，無刷DC電(diàε→π>n)機(jī)要(yào)使用(yòng)驅動電(diàn)路(l₹≤↕±ù)，驅動電(diàn)路(lù)将電(diàn)機(jī)定子(>¶zǐ)與DC電(diàn)源連接在一(yī)起工(gōng)作(zuò)。
三、步進電(diàn)機(jī)特性
步進電(diàn)機(jī)的(de)基本特性包括電(diàn)機(jβ→ī)靜(jìng)态特性、連續運動特性（動态特性）、電(diàn)機(jī)啓動特性和(hé)電λ㙀(diàn)機(jī)制(zhì)動特性（暫态特性）。下(xià)面分(fēn)别作₽ (zuò)介紹：
1、靜(jìng)态轉矩特性
步進電(diàn)機(jī)的(de)線圈通(tōng©≈)直流電(diàn)時(shí)，帶負載轉子(zǐ)的(de)★±電(diàn)磁轉矩（與負載轉矩平衡而産生(shēng)的(de)恢複電÷¥↑✔(diàn)磁轉矩稱為(wèi)靜(jìng)态轉矩或靜(jìng)止轉矩）與®÷轉子(zǐ)功率角的(de)關系稱為(wèi)角度-靜(jìng)止轉矩特性，這(zhè)< ∞就(jiù)是(shì)電(diàn)機(jī)的(de)靜(jìng)态特性。
因為(wèi)轉子(zǐ)為(wèi)永磁體(tǐ)，産生(shēng)的( φde)氣隙磁密為(wèi)正弦分(fēn)布，所以理(lǐ)論上(shàng)靜(jìng)止轉↕≥÷★矩曲線為(wèi)正弦波。此角度-靜(jìng)止轉矩特性為(wè♦βi)步進電(diàn)機(jī)産生(shēng)電(diàn)磁轉矩能(nΩéng)力的(de)重要(yào)指标，最大(dà)轉矩越大(dà)越好(hǎo)，轉矩π×γ☆波形越接近(jìn)正弦越好(hǎo)。實際上(shàng)磁極下(xδ↔±"ià)存在齒槽轉矩，使合成轉矩發生(shēng)畸變，如(r>∏ú)兩相(xiàng)電(diàn)機(jī)的(de)齒槽轉矩為(w ©èi)靜(jìng)止轉矩角度周期的(de)4倍諧波，加在正弦的(de)靜(j♣¥©ìng)止轉矩上(shàng)，則上(shàng)圖所示的(de)轉矩為(wèi)：
TL=TMsin[(θL/θM)π/2]
其中TL與TM各表示負載轉矩和(hé)最大(dà)靜(jìng)止轉矩（或稱把持轉矩），相(xià∑∞ng)對(duì)應的(de)功率角為(wèi)&theta₽Ω;L和(hé)θM，此位移角的(de)變化(huà)決定了(le)步進電(diàn≥$)機(jī)位置精度。根據上(shàng)式得(de)到(dào)：
θL=(2θM/π)ar<®csin(TL/TM)
PM型永磁步進電(diàn)機(jī)和(hé)HB混合式步進電(diàn)機(jī'₽)的(de)步距角θs在前面的(de)課程中講過即：&®εβtheta;s=180°/PNr，角度改為(wèi)機(jī)械÷¥♥♠角度（弧度），則變成下(xià)式：
θs=π/(2Nr)
上(shàng)式Nr為(wèi)轉子(zǐ)齒數(shù)✘✘¶或極對(duì)數(shù)，所以兩相(xiàng)電(diàn)機(jī)&t↕¥heta;M=θs。
2、動态轉矩特性
動态轉矩特性包括驅動脈沖頻(pín)率-轉矩特性和(hé)驅動脈沖頻(pín)率-™☆ 慣量特性。
1）脈沖頻(pín)率-轉矩特性
脈沖頻(pín)率-轉矩特性是(shì)選用(yòng)步進電(diàn)機(jī)的" ★×(de)重要(yào)特性。如(rú)下(xià)圖所示，縱軸為(wè♦™i)動态轉矩（dynamic torque），橫軸取響應脈沖頻(pín)∞₹"↔率，響應脈沖頻(pín)率用(yòng)pps作(z ≥∞uò)為(wèi)單位，即每秒(miǎo)的(de)脈沖數(shù)表示。
步進電(diàn)機(jī)的(de)動态轉矩産生(shēng)包括失步轉矩（pull-out♥ε ™-torque）和(hé)牽入轉矩（pull-in-torquπ e）兩個(gè)轉矩。前者稱為(wèi)失步或丢失轉矩，後者稱為(wèi)起動或牽入 ≈€♣轉矩。牽入轉矩範圍為(wèi)從(cóng)零到(dào)最大(dà)自(≠Ω↑zì)起動脈沖頻(pín)率或最大(dà)自(zì)起↓"動頻(pín)率區(qū)域。牽入曲線包圍的(de)區(qū)域稱為(wèiσ©)自(zì)起動區(qū)域。電(diàn)機(jī≤')同步進行(xíng)正反轉起動運行(xíng)，在牽入與失步區(qū)域之間(jiān)為(wè§i)運轉區(qū)，電(diàn)機(jī)在此區(qū)域內'↔(nèi)可(kě)帶相(xiàng)應負載同步連續運行(xíng<↑)，超出範圍的(de)負載轉矩将不(bù)能(néng)連€'¶續運行(xíng)，出現(xiàn)失步現(xiàn)象。步進電(diàn)機(jī)為↕&(wèi)開(kāi)環驅動控制(zhì)，其負載轉矩與電(diàn)磁轉矩之間(jiān)$αα要(yào)有(yǒu)裕度，其值應為(wèi)50%~80%。
2）脈沖頻(pín)率-慣量特性
步進電(diàn)機(jī)在帶慣性負載快(kuài)速起動時 ≤₽(shí)，須有(yǒu)足夠的(de)起動加速度。因此如&↕€(rú)負載的(de)慣量增加，則起動脈沖頻(pín)率就(jε♣iù)下(xià)降，為(wèi)此，在選擇步進電(diàn)機(jī)時(shí)對→±(duì)兩者要(yào)進行(xíng)綜合考慮。
3、暫态轉矩特性
由于步進電(diàn)機(jī)轉子(zǐ)慣量作(zuò)用(yòng)™，即使空(kōng)載運行(xíng)一(yī)步，也("¶φ♣yě)會(huì)産生(shēng)超越角(over-shoot），并在β↔×超越角與返回角（under-shoot）之間(jiān)來(lái)回振蕩，經過哀減後靜(≈ jìng)止于所定角度，此為(wèi)步進電(dià€₩n)機(jī)暫态響應特性。