【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 停止時(shí)可有自鎖能力。 步距角可在大范圍內(nèi)選擇，在小步距情況下，通?？梢栽诔娃D(zhuǎn)速下高轉(zhuǎn)距穩(wěn)定運(yùn)行，通?？梢圆唤?jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。 13 圖 3電機(jī)內(nèi)部簡(jiǎn)圖 速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，同時(shí)用一臺(tái)控制器控制幾臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可使它們 完全同步運(yùn)行。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶慣性負(fù)載能力較差。 9 、由于存在失步和共振，步進(jìn) 電機(jī) 的加減速方法根據(jù)利用狀態(tài)的不同而復(fù)雜化。 需要專用的伺服控制器控制，不能直接使用普通的交直流電源驅(qū)動(dòng)。 圖 4 電路控制圖 直線步進(jìn)電機(jī)工作特點(diǎn) 1．一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 3－ 5％，且不累積。 2．步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。 步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏 8090度完全正常。 14 3．步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 4．步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn) ,但若高于一定速度就無法啟動(dòng) ,并伴有嘯叫聲。 步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 直線步進(jìn)電機(jī)技術(shù)概述 步進(jìn)電機(jī)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性運(yùn)動(dòng)可用幾種機(jī)械方法完成，包括齒條和齒輪傳動(dòng)及皮帶和皮帶輪傳動(dòng)以及其他機(jī)械聯(lián)接機(jī)構(gòu)。所有這些設(shè)計(jì)都需要各種機(jī)械零件。完成這個(gè)轉(zhuǎn)變的最有效方法是在電機(jī)自身內(nèi)進(jìn)行。 基本的步進(jìn)電機(jī)是由有磁性的轉(zhuǎn)子鐵芯通過與由定子產(chǎn)生的脈動(dòng)的定子電磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。直線電機(jī)把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性運(yùn)動(dòng) ，完成這個(gè)轉(zhuǎn)變的精密性取決于轉(zhuǎn)子的步進(jìn)角度和所選方法。線性步進(jìn)電機(jī)，或者稱為直線步進(jìn)電機(jī)，首先出現(xiàn)在 1968 年的第 3,402,308 號(hào)專利上，是頒發(fā)給 William Henschke的。從此以后，直線步進(jìn)電機(jī)在許多要求極高的領(lǐng)域有了用武之地。包括制造應(yīng)用、精密調(diào)準(zhǔn)和精密流體測(cè)量在內(nèi)的諸多高要求領(lǐng) 使用螺紋的直線電機(jī)精密度，取決于它的螺距。在直線電機(jī)的轉(zhuǎn)子中心安裝一個(gè)螺母，相應(yīng)地一個(gè)螺桿與此螺母嚙合，為使螺桿軸向移動(dòng)，必須用某種方法來防止螺桿與轉(zhuǎn)子組件一同轉(zhuǎn)動(dòng)。由于螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)受到制約，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺桿實(shí)現(xiàn)了線性 運(yùn)動(dòng)。無論是在電機(jī)內(nèi)部用固定螺紋軸組件還是在外部的螺紋軸上使用不能旋轉(zhuǎn)但軸向可自由移動(dòng)的螺母，都是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)約束的典型方法。 為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，在電機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)線性變換是有意義的。該方法極大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，使得在許多應(yīng)用領(lǐng)域中能夠在不安裝外部機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置的情況下直接使用直線電機(jī)進(jìn)行精密的線性移動(dòng)。 15 最初的直線電機(jī)采用了一個(gè)滾珠螺母和絲桿的結(jié)合體。滾珠絲桿提供了 90%以上的效率，而根據(jù)螺紋條件，梯形螺紋提供的效率僅有 20%～ 70%。 盡管滾珠絲桿對(duì)轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為線性運(yùn)動(dòng)是一個(gè)高效的方法，但是滾珠螺母很難校準(zhǔn)，而且體積龐 大，費(fèi)用昂貴。因此，在大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中，滾珠絲桿并非是一個(gè)實(shí)際的解決方法。 大多數(shù)設(shè)備設(shè)計(jì)人員對(duì)以直線電機(jī)為基礎(chǔ)的混合式步進(jìn)電機(jī)是熟悉的。該產(chǎn)品有多年的歷史了，與其它設(shè)備一樣它有其自己的長(zhǎng)處和局限性。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、緊湊、無電刷（因此無火花）、驚人的機(jī)械優(yōu)點(diǎn)、設(shè)計(jì)的實(shí)用性以及可靠性是它與生俱來的優(yōu)點(diǎn)，然而在某些情況下，此直線電機(jī)不能用于某些設(shè)備，因?yàn)樵跊]有日常維護(hù)的條件下它是不能保證耐久的。 然而，有幾種方法克服了這樣的障礙，使直線電機(jī)具有高的耐久性且不用維護(hù)，由于步進(jìn)電機(jī)的無電刷設(shè)計(jì)，產(chǎn)生磨損的唯一部件是轉(zhuǎn)子 軸承以及由導(dǎo)向螺桿 /螺母組成的螺紋接合。滾珠軸承幾年來的改進(jìn)已經(jīng)提供了適合直線運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)壽命類型。最近導(dǎo)向螺桿和螺母組合的壽命和耐用性都有了改進(jìn)。 習(xí)慣上，直線電機(jī)使用由一軸承級(jí)金屬材料（如青銅）加工成的一個(gè)空心軸，該空心軸具有內(nèi)螺紋然后與螺紋導(dǎo)桿連接。該空心軸沿轉(zhuǎn)子軸線安裝。導(dǎo)桿材料通常為不銹鋼，它具有某種防腐蝕性能。大多數(shù)零件所用螺紋的型式是加工螺紋（如 1032），此螺紋有單頭或多頭，這取決于電機(jī)所需的分辨率和速度。 圖 5 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 加工螺紋一般選擇 “V” 形螺紋，這是由于其容易加工和軋制成 形。雖然這對(duì)加工來說是一個(gè)合適的選擇，但對(duì)動(dòng)力的傳輸卻不利。梯形螺紋更為合適，對(duì)此有幾個(gè)理由。 16 圖 6 螺紋結(jié)構(gòu) 梯形螺紋的設(shè)計(jì)更為有效。比較好的效果是其損耗小，包括摩擦，這就意味著磨損少和使用壽命長(zhǎng)。查看一下螺紋的基本幾何形狀就很容易進(jìn)行解釋。 “V” 形螺紋的相對(duì)面之間有一個(gè) 60 度角，而梯形僅有 29 度角。 假定摩擦、扭矩和螺紋角相同， “V” 形螺紋能傳送的力約為梯形螺紋的 85%。用方程式 1和 2可以求出效率，因?yàn)槭褂玫穆菁y是 V形的，取決于負(fù)載方向。 60度螺紋的效率除以 29度螺紋效率就能計(jì)算出比率。 效率 計(jì)算沒有考慮。在 “V” 形螺紋表面上的壓力要高的多的情況，此高壓力會(huì)進(jìn)一步增加的損耗。 梯形螺紋導(dǎo)桿一般是為傳送動(dòng)力而制作的，所以應(yīng)該嚴(yán)格關(guān)注表面光潔度、螺距精度和公差。 “V” 形螺紋基本上用于緊固螺紋，所以其表面光潔度和直線性并不嚴(yán)格控制。 同樣，甚至更重要的是驅(qū)動(dòng)螺桿的螺母，該螺母通常是嵌入電機(jī)轉(zhuǎn)子中的。通常螺母材料是軸承級(jí)的青銅在其自身進(jìn)行內(nèi)加工螺紋，它綜合考慮了物理穩(wěn)定性和潤(rùn)滑性。當(dāng)然，說它是綜合考慮是因?yàn)樗趦煞矫娑疾皇峭昝赖?。直線電機(jī)中驅(qū)動(dòng)螺母的較好材料是自潤(rùn)滑的熱塑性材料。這是因?yàn)橛眯碌墓こ趟?料能使螺桿螺母運(yùn)動(dòng)摩擦系數(shù)降低。圖 7 是不同內(nèi)螺紋轉(zhuǎn)子材料的摩擦性能的比較。 17 圖 7 青銅與工程塑料的摩擦性能 結(jié)果很明顯，但為何不用塑料的驅(qū)動(dòng)螺母？對(duì)螺紋來說塑料是好的，但對(duì)于混合式電機(jī)中的轉(zhuǎn)子軸頸來說卻 不夠穩(wěn)定。由于電機(jī)的溫度在運(yùn)行時(shí)可能升至167176。F ，在這種情況下塑料的膨脹量可能達(dá)到 英寸，但黃銅在同樣熱條件下僅膨脹 。見圖 8 圖 8 熱膨脹比較 軸承軸頸在混合式電機(jī)設(shè)計(jì)中是嚴(yán)格要求的 ，為了達(dá)到最佳性能，混合式電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)必須保持千分之幾英寸的轉(zhuǎn)子鐵芯外徑和定子內(nèi)徑之間的空隙。如果轉(zhuǎn)子裝配不同心則將與定子壁摩擦。通過材料的選擇，設(shè)計(jì)人員希望在螺紋壽命和軸承軸頸耐久性兩方面都具有優(yōu)勢(shì)。在金屬轉(zhuǎn)子組件內(nèi)注入模壓塑料螺紋，在兩方面都取得最佳效果。 18 該結(jié)構(gòu)極大地提高了運(yùn)行壽命、效率及安靜性。電機(jī)壽命比在其它電機(jī)中使用的常規(guī)青銅螺母結(jié)構(gòu)提高了 10～ 100 倍，且不需要維護(hù)保養(yǎng) ， 免維護(hù) 終生潤(rùn)滑 。 一種專門配制的高性能合成油脂給予了海頓電機(jī)以不需再加潤(rùn)滑油的特殊的耐久性，潤(rùn)滑劑具有特殊的溫度特 性，范圍從 65℃ （ 85176。F ）～ 250℃ （ 482176。F ）。該潤(rùn)滑劑不易燃，具有化學(xué)惰性和低氣化壓力，對(duì)靈敏儀表的污染程度也很低。 圖 9軸承 圖 10 試驗(yàn)表明 HSI混 合式直線電機(jī)的超長(zhǎng)壽命 2 原理 及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因 此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。 目前 ,生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況，我們決定以廣泛的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)為例。敘述其基本工作原理。望能對(duì)廣大用戶在選型、使用、及整機(jī)改進(jìn)時(shí)有所幫助。 圖 11 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖 20 開始時(shí)，開關(guān) SB接通電源， SA、 SC、 SD斷開， B相磁極和轉(zhuǎn)子 0、 3號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的 4號(hào)齒就和 C、 D相 繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5號(hào)齒就和 D、 A 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。 當(dāng)開關(guān) SC 接通電源， SB、 SA、 SD 斷開時(shí)，由于 C相繞組的磁力線和 4號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)， 4號(hào)齒和 C相繞組的磁極對(duì)齊。而 0、3號(hào)齒和 A、 B 相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5 號(hào)齒就和 A、 D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推， A、 B、 C、 D 四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著 A、 B、 C、 D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。 單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖 、 b、c所示： a. 單四拍 b. 雙四拍 圖 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)工作原理 一、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理 由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡(jiǎn)單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理。 21 結(jié)構(gòu)： 電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定 子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。 0、 1/3 て、 2/3 て ,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即 A 與齒 1相對(duì)齊， B 與齒 2向右錯(cuò)開 1/3 て， C與齒 3 向右錯(cuò)開 2/3て， A39。39。與齒 5相對(duì)齊，（ A39。39。就是 A，齒 5就是齒 1） 圖 13定轉(zhuǎn)子展開圖 旋轉(zhuǎn)： 如 A 相通電， B， C 相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒 1與 A對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。如 B 相通電， A， C 相不通電時(shí)，齒 2 應(yīng)與 B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過 1/3 て，此時(shí)齒 3 與 C 偏移為 1/3 て，齒 4與 A偏移（て 1/3 て） =2/3て。如 C 相通電， A， B 相不通電，齒 3應(yīng)與 C 對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3て，此時(shí)齒 4 與 A 偏移為 1/3 て對(duì)齊。如 A相通電， B， C相不通電，齒 4 與 A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3 て這樣經(jīng)過 A、 B、 C、 A 分別通電狀態(tài)，齒 4（即齒 1前一齒）移到 A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，如果不斷地按 A， B， C， A??通電，電機(jī)就每步（每脈沖） 1/3 て ,向右旋轉(zhuǎn)。如按 A， C， B， A??通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過，出 于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用 AABBBC－CCAA 這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步 1/3 て改變?yōu)?1/6 て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其 1/3 て變?yōu)?1/12 て， 1/24 て，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。 22 不難推出：電機(jī)定子上有 m 相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m?? (m1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制 —— 這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五 相為多。 力矩： 電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)（磁通量Ф）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開一定角度產(chǎn)生力 F 與（ dФ /dθ）成正比 S 其磁通量Ф =Br*S Br 為磁密， S為導(dǎo)磁面積 F與 L*D*Br 成正比 L為鐵芯有效長(zhǎng)度， D為轉(zhuǎn)子直徑 Br=N178。 I/R N178。 I為勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)） R為磁阻。 力矩 =力 *半徑 力矩與電機(jī)有效體積 *安匝數(shù) *磁密 成正比（只考慮線性狀態(tài)）因此，電機(jī)有效體積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之亦然。 、 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī) 特點(diǎn)： 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī) 與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行