步進電機

　　步進電動機分反應式（磁阻式）、永磁式和混合式三大類。

　　三相反應式步進電動機結構示意圖如圖1所示。

圖1：三相反應式步進電動機結構示意圖

　　定子六個磁極上繞有三相星形繞組，轉子外圓周和磁極極靴上開有等齒距的小齒。轉子齒數為20 個，每個磁極上有 3 個小齒，小齒相鄰兩相的兩個磁極錯開1 /3齒距（一般錯開1 /m，m為相數）。由于是繞組輪流通電，所以當 A 相通電時，定轉子之間的磁通以磁 阻最小取向，使轉子齒（位置隨機）與A相磁極小齒對齊。此時，B相磁極上小齒沿ABC方向超前轉子齒錯開1 /3齒距。A相斷電、B相通電時，轉子則沿ABC轉過1 /3齒距。此時， C 相磁極上小齒又超前轉子齒錯開1 /3齒距。B相斷電、C相通電時，轉子則沿ABC方向又轉過 1 /3 齒距。如此便隨脈沖的A→B→C分配方式步進運動下去。脈沖通電有多種分配方式，步距角的大小可隨脈沖分配方式不同而變化。實現這種分配的是一種環形脈沖分配器，繞組通斷則由功率開關管實施。

　　以上是三相反應式步進電動機的工作原理，多相反應式步進電動機的工作原理與三相反應式步進電動機基本一樣。反應式步進電動機的優點是步距角小、步距精度高、起動頻率高、負載能力強，可實現電氣細分; 缺點是易振蕩（需要加裝阻尼器進行抑制）、驅動功率大、效率低。

　　兩相永磁式步進電動機結構示意圖如圖2所示。

圖2：兩相永磁式步進電動機結構示意圖

　　轉子為兩對極的“+”字形磁體（也可以為多對極的星形磁體），定子則相應為兩相繞組 （也可為多相繞組）。

　　當定子A相或B相單獨通電時，轉子轉向A相或B相磁場軸線；當 A、B相同時通電時， 轉子轉向 A、B 相磁場合成軸線。當繞組按單四拍方式 A→B→（-A）→（-B）和雙四拍方式 A、B →（B、-A）→（-A、-B ）→（-B、A）通電時，步距角為45°；當繞組按八拍方式 A→A、B→B→（B、-A）→（-A）→（-A、-B）→（-B）→（-B、A）通電時，步距角為 22.5°。

　　永磁式步進電動機的優點是驅動功率小、阻尼大、有斷電自鎖力矩，缺點是步距角大、起動頻率低。

　　混合式步進電動機綜合了反應式步進電動機和永磁式步進電動機的特點，因而性能更好， 即同時具有步距角小、驅動功率小的優點。

　　靜力矩（保持力矩）是指在規定的通電方式下，繞組通入恒定直流電流，步進電動機鎖定不崩潰的最大力矩。

　　在此脈沖頻率下，步進電動機能不失步空載起動、停止和正反轉。

　　最高運行頻率是指步進電動機能保持不失步條件下運行的最高脈沖頻率。

　　步距角誤差是指每一步實際步距角與理論步距角之差（誤差不累積）。測試時，可用增量編碼器、光學分度頭（用信號電機作角位移傳感器）、工具顯微鏡測量。步距角誤差對步進電動機非常重要。例如，用步進電動機驅動的打印機，如果步距角誤差太大，打印出來的文案或圖片就會不均勻。

　　位置誤差是指步進電動機完成一系列步進運動后， 實際位置相對理論位置之間的偏差。具體測試方法為：相對于起始點，一周內每一步所到位置角與理論位置角之差。例如，步進電動機步距角為1.5°，相對于起始點，第1步的位置角是1.5°，第2 步的位置角則是3°。位置誤差一般不專門測試，它可用每步步距誤差累積算出。因此，一些早期的專業書和專用技術條文中，也把位置誤差稱為累積誤差。

　　這就引起了一些混亂，常說步進電動機的優點之一是無累積誤差，怎么這里又要測試累積誤差了呢? 其實，這兩者所指的內容不同。步進電動機無累積誤差，是指步進電動機上述步距角誤差和步進一周或數周相對起始位置無累積誤差。步進電動機步進數步后，相對于起始位置還是有累積誤差的，只是誤差能不斷自動補償，不會無限累積下去，步進一周后，誤差一定為零。所以，現行國家標準GB /T 2900.26—2008《電工術語 控制電機》要用“位置誤差”定義這一誤差，使得含義更準確，并與 “累積誤差”區分開來。

　　位置誤差對步進電動機有普遍意義， 如用步進電動機驅動的灌裝設備和物料計量設備， 常需要步進電動機按規定的步數和頻率運行，如果位置誤差太大，灌裝和計量就不會準確。

　　高低壓供電是指步進電動機繞組通電后， 先用高壓強迫電流上升加快， 當電流上升到一定值時，再轉換到低壓供電， 由此提高步進電動機工作頻率， 且繞組不需要串聯加速電阻， 還可減小功耗。電流上升特性曲線如圖3所示。

圖3：電流上升特性曲線

　　電流I達到 0.632U1 /R所需的時間，高壓U2供電時為t2，低壓U1供電時為τ。τ表示通電線圈的電氣時間常數，定義為電流由零上升到63.2%穩態值所需的時間。無論是高壓供電還是低壓供電，τ是不變的。由圖3可以很明顯地看出，高壓供電時電流上升速度比低壓快。

　　雙電源供電是指步進電動機在高頻高速運行時用高壓供電，在低頻低速運行時改用低壓供電。這樣，可使步進電動機在高頻段有較大出力，在靜止鎖定時功耗小。如果只采用單電源低壓供電，則步進電動機在高頻高速運行時，繞組反電動勢增大，使得相電流減小、力矩減小。

　　電氣細分是指改變勵磁繞組通電方式和電流相量的大小及方向，使合成磁軸偏轉角減小（一個步距角，由整步分成數步步進）的方法。例如，三相步進電動機由單三拍運行改為雙三拍運行，一種方法是改變其中一相電流大小，便可實現電氣細分，簡單、方便，但有滯后角變化的缺點，細分數不能太大；另一種方法是將矩形波電脈沖分解成階梯波，用單片機產生的 PWM （脈寬調制）波進行幅值和脈寬調節，細分數大，且轉矩恒定。其中，第二種是常用的方法。電氣細分是步進電動機實現微步距的驅動方法，可消除低頻振蕩，使步進電動機運行更平穩。