工業自動化（huà）中步進電機的基本原理

概述：綜（zōng）合了目前我國高等院校“電機學（xué）”、“電機與拖動”、“控製微（wēi）電機”、“電機控製”、“繼電（diàn）接觸控製”、“可編程控製器（qì）技術”及“工（gōng）廠電氣（qì）控製”等課程實驗（yàn）大綱的（de）要求（qiú）。MY-D2型 電機（jī）及（jí）電氣技術實驗裝置”是由本（běn）公司（sī）設計的新（xīn）穎綜合實驗裝置，特別適用於高等院（yuàn）校現有的電機、電氣技術（shù）實（shí）驗設備的更新改造，同時也為中等專業學校、職業技術學院（yuàn）等新建或擴建實驗室，迅速開設實（shí）驗課提供（gòng）了理想的實驗設備，為教（jiāo）師或研究（jiū）生開發新實驗或進行科學研究工作提供良好的實驗條件。
步（bù）進（jìn）電機作為執行元件（jiàn），是機電一體化（huà）的關鍵產品之一, 廣泛應用（yòng）在各種工業自動（dòng）化控（kòng）製係統中（zhōng）。隨著微電子和計算機技術的發（fā）展，步進電機的需求量與日俱增，在各個（gè）國民經濟領域都有應用。

步進電機是一種將電脈（mò）衝轉化（huà）為角位移的執行（háng）機構。當步進驅動器接收到一個脈衝信號，它就（jiù）驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它（tā）的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可（kě）以通過控製脈衝（chōng）個數來控製角位（wèi）移量，從而達到（dào）準確定位的（de）目的；同時（shí）可以通（tōng）過控製脈衝頻率來（lái）控製電機（jī）轉動的速（sù）度和加速度，從而達（dá）到調速的目的（de）。步進電機可以作（zuò）為一種控製用的特種電（diàn）機，利用其沒有積累誤（wù）差(精度為100%)的特點，廣泛應用於各種開環控製。
     現（xiàn）在比較常（cháng）用的步進電機包括反應式步進（jìn）電機（VR）、永（yǒng）磁式步進（jìn）電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進（jìn）電機等。
        永磁式步（bù）進電機一般為兩相，轉（zhuǎn）矩和（hé）體（tǐ）積較小，步進角一般（bān）為7.5度 或15度；
反應式步進（jìn）電機一般為三相，可實（shí）現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反（fǎn）應（yīng）式步進電機的轉子磁路由軟磁（cí）材料製成，定子上有多相勵磁繞組，利用（yòng）磁導的變化產生轉（zhuǎn）矩。
    混合式步進電（diàn）機（jī）是指混合了永磁式和反應式的優點。它（tā）又分（fèn）為兩相（xiàng）和五相：兩相步進角一般（bān）為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應（yīng）用（yòng）最（zuì）為廣泛，也是本次細分驅動方案所選用的步進電機。
  步進電機的（de）一些基本參數：
     電機固（gù）有步距角： 
    它表示控製係統每發一個步進脈衝信號（hào），電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值（zhí），如86BYG250A型電機（jī）給出的（de）值為0.9°/1.8°（表示半（bàn）步工（gōng）作時為0.9°、整步工作時為1.8°），這個步距角可以稱之為‘電機固有步距角’，它（tā）不一定（dìng）是電機實（shí）際工作時的（de）真正步距角，真正的步距（jù）角和驅動（dòng）器有關。
    步進電機的相（xiàng）數：
    是指電（diàn）機內部的線圈（quān）組數，目（mù）前常用的有二（èr）相、三相、四相、五（wǔ）相步（bù）進電機。電機相數不同（tóng），其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細分驅動器時，用戶主（zhǔ）要靠選擇（zé）不（bú）同相數的（de）步進電機來（lái）滿足自己步距角的要（yào）求。如果使用細分驅動器，則‘相數（shù）’將變得沒有意義，用戶隻需在驅動器上改變細分（fèn）數，就可（kě）以改變步距角。
 保持（chí）轉矩（jǔ）（HOLDING  TORQUE）：
     是指步進（jìn）電機通電但（dàn）沒有（yǒu）轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它（tā）是步進（jìn）電機最重要的參數之一，通常步進（jìn）電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由於步進電機的輸出力矩隨速度（dù）的增（zēng）大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所（suǒ）以保持轉矩就成為了衡量步進電（diàn）機（jī）最重要的參數之一。比如，當人（rén）們說2N.m的步進電（diàn）機，在沒有特（tè）殊說明的情況下是指（zhǐ）保持轉矩為2N.m的步進電機。
 DETENT  TORQUE：
是指步進電機沒（méi）有通電的情況下，定子鎖住轉（zhuǎn）子的力矩。DETENT  TORQUE  在國內沒有統一的翻譯方式，容易使大家（jiā）產生誤解；由於反應式步進電機的（de）轉子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。
步進電（diàn）機的一些特點：
1．一般步進電機的精度為步進（jìn）角的（de）3-5%，且不累積。
2．步進電機外表允許的最高（gāo）溫度。
   步進電機溫度過高首先（xiān）會使電機的磁性材料退磁，從而導致（zhì）力矩下降乃至於失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決於不同（tóng）電機磁性材料的（de）退磁點（diǎn）；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
3．步進電機的力矩會隨轉速的（de）升高而下降。
      當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相（xiàng）電（diàn）流減小，從而導致力矩（jǔ）下降。
4．步進電機低速時可以正常（cháng）運轉,但若高於一定速度就無（wú）法啟動,並伴有嘯叫聲。
     步進電機有一個技術參數：空載啟動（dòng）頻率，即步進電機（jī）在空載情況下能（néng）夠正常啟動的脈衝頻率，如果脈（mò）衝頻（pín）率高於該值，電機不能正常（cháng）啟動，可能發生丟步或堵（dǔ）轉。在有負載的情（qíng）況下，啟（qǐ）動頻率應（yīng）更低。如果要使電機達到高速轉動，脈衝頻率（lǜ）應該有加（jiā）速過程，即啟動頻率較低，然後按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到（dào）高速）。
     工業自（zì）動化設備中（zhōng）步進電動機以其顯著的特點，在數字化製造時代發揮著重大的用途（tú）。伴隨著不同的數字化技術的發展以及步進（jìn）電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。
5、結（jié）論：
本文介紹了電機效（xiào）率優化控製近年來（lái）的研究概況與研究方向。闡述了幾種典型效率優化基本原理，並對其優缺點進行了分（fèn）析與比較。現有的效率（lǜ）優化算法，基本上都是基於減（jiǎn）小磁通（tōng）的思想，但這種（zhǒng）方法同（tóng）時也會（huì）降低電（diàn）機的動態響應性能。隨著模糊控製、人工神經網絡、等智能控（kòng）製理論的發展，電機的效率也在不斷向快速、智能的方向發展。並且隨著DSP技術的進步，效率優化控製的應用與產品（pǐn）化將（jiāng）得到進（jìn）一步的發展。

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