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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)域都有應用。作為電力人對步進電機的也不能僅限于認識而已，應該深入了解它的結(jié)構(gòu)、基本原理以及應用，接下來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。
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
(2)
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
02 接線圖
03 一般規(guī)格
04 轉(zhuǎn)軸負載條件(單位：N)
編輯：黃飛
?
TJ0?=?70%Tm0TJ1?=?70%Tm1TL?=?60%Tm1
tr?=?F4?*?In?[(TJ?0-TL)/(TJ?1-TL)]
? (3)
F (t) = F2 * [1 – e^(-t/F4)] + F0, 0
AM
17
HD
0
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
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)
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
?
工商網(wǎng)監(jiān)
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