步進電機的發(fā)展

1、步進電機的發(fā)展、應(yīng)用和種類簡介 步進電機最早是在1920年代由英國人所開發(fā)。1950年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進電機上，對于數(shù)字化的控制變得更為容易。往后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進電機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進電機用得最多。 步進電機依依其構(gòu)造造上的差差異可分分為三大大類： （下圖圖一） 可變磁磁阻式（VR型）：轉(zhuǎn)子以軟鐵鐵加工成成齒狀，當(dāng)當(dāng)定子線線圈不加加激磁電電壓時，保保持轉(zhuǎn)矩矩為

2、零，故故其轉(zhuǎn)子子慣性小小、響應(yīng)應(yīng)性佳，但但其容許許負荷慣慣性并不不大。其其步進角角通常為為15。 永久久磁鐵式式（PMM型）：轉(zhuǎn)子由永久久磁鐵構(gòu)構(gòu)成，其其磁化方方向為輻輻向磁化化，無激激磁時有有保持轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。依依轉(zhuǎn)子材材質(zhì)區(qū)分分，其步步進角有有45、90及7.55、11.225、15、18等幾種種。 混和和式（HHB型）：轉(zhuǎn)子由軸向向磁化的的磁鐵制制成，磁磁極做成成復(fù)極的的形式，其其乃兼采采可變磁磁阻式步步進電機機及永久久磁鐵式式步進電電機的優(yōu)優(yōu)點，精精確度高高、轉(zhuǎn)矩矩大、步步進角度度小。 （圖一） 目前市場上上所使用用的工業(yè)業(yè)用步進進電機，以以混和式式（HBB型）最最為普遍遍。 步進電機的的特

3、征 高精度的定定位： 步步進電機機最大特特征即是是能夠簡簡單的做做到高精精度的定定位控制制。以55相步進進電機為為例：其其定位基基本單位位（分辨辨率）為為0.772（全步步級）/0.336（半步步級），是是非常小小的；停停止定位位精度誤誤差皆在在3分（0.005）以內(nèi)內(nèi)，且無無累計誤誤差，故故可達到到高精度度的定位位控制。（步進電機的定位精度是取決于電機本身的機械加工精度）位置及速度控制： 步進電機在輸入脈沖信號時，可以依輸入的脈沖數(shù)做固定角度的回轉(zhuǎn)進而得到靈活的角度控制（位置控制），并可得到與該脈沖信號周波數(shù)（頻率）成比例的回轉(zhuǎn)速度。具定位保持力： 步進電機在停止?fàn)顟B(tài)下（無脈波信號輸入時），

4、仍具有激磁保持力，故即使不依靠機械式的剎車，也能做到停止位置的保持。動作靈敏： 步進電機因為加速性能優(yōu)越,所以可做到瞬時起動、停止、正反轉(zhuǎn)之快速、頻繁的定位動作。開回路控制、不必依賴傳感器定位： 步進電機的控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單，不需要速度感應(yīng)器（ENCODER、轉(zhuǎn)速發(fā)電機）及位置傳感器（SENSOR），就能以輸入的脈波做速度及位置的控制。也因其屬開回路控制，故最適合于短距離、高頻度、高精度之定位控制的場合下使用。中低速時具備高轉(zhuǎn)矩： 步進電機在中低速時具有較大的轉(zhuǎn)矩，故能夠較同級伺服電機提供更大的扭力輸出。高信賴性： 使用步進電機裝置與使用離合器、減速機及極限開關(guān)等其它裝置相較，步進電機的故障及誤

5、動作少，所以在檢查及保養(yǎng)時也較簡單容易。小型、高功率： 步進電機體積小、扭力大，盡管于狹窄的空間內(nèi)，仍可順利做安裝，并提供高轉(zhuǎn)矩輸出。 步進電機的的速度轉(zhuǎn)矩特特性 速度-轉(zhuǎn)矩矩特性取取決于電電機及驅(qū)驅(qū)動器，尤尤其與所所搭配的的驅(qū)動器器有著極極大的影影響；使使用的驅(qū)驅(qū)動器不不同，特特性上的的差異也也就會有有明顯的的不同。 （圖二） 步進電機速速度-轉(zhuǎn)矩特特性曲線線圖（圖圖二）說說明： (1)激磁磁最大靜靜止轉(zhuǎn)矩矩：當(dāng)運運轉(zhuǎn)脈沖沖速度等等于0 Hz時時，曲線線與Y軸交接接的點即即稱為激激磁最大大靜止轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。也也就是指指電機在在通電但但無輸入入脈沖信信號的情情況下，其其所具備備的保持持轉(zhuǎn)矩即即稱為激

6、激磁最大大靜止轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。 (2)脫出出轉(zhuǎn)矩：又稱最最大轉(zhuǎn)矩矩，為電電機于運運轉(zhuǎn)時所所能帶動動的最大大負荷。 (3)最大大響應(yīng)頻頻率：在在無負載載、負荷荷慣性為為0時，電電機所能能夠響應(yīng)應(yīng)之最快快的速度度。 (4)最大大自起動動頻率：電機在在無載的的狀態(tài)下下可以做做到瞬時時的起動動而不失失步的速速度謂之之最大自自起動頻頻率。 二相與五相相步進電電機的差差異 步進電機主主要是依依相數(shù)來來做分類類，而其其中又以以二相、五五相步進進電機為為目前市市場上所所廣泛采采用。二二相步進進電機每每轉(zhuǎn)最細細可分割割為4000等分分，五相相則可分分割為 10000等分分， 所以表表現(xiàn)出來來的特性性以五相相步進電電機較

7、佳佳、 加減速速時間較較短、 動態(tài)慣慣性較低低。二相相/五相步步進電機機差異比比較： 二相步進電電機 五相步進電電機 電機構(gòu)造（請請參照圖圖三） 8個主極4相(2相)4極線線圈 10個主極極5相2極線圈圈 分解能 1.8/0.99（2000、4000分割/圈） 0.72/0.36（5000、10000分割割/圈）較二相步進進電機高高出2.5倍 分解能。 振動性 100-2200PPPS之之間為低低速共振振領(lǐng)域， 振動較大 無顯著共振振點 低振動 速度轉(zhuǎn)矩矩特性 于速度上不不及五相相步進電電機 高速度、高高轉(zhuǎn)矩 （圖三）二相/五相相步進電電機基本本性能匯匯整比較較： 優(yōu)/良良/稍差 分解能 振動

8、 速度 角度精度 響應(yīng)性 轉(zhuǎn)矩 噪音 二相步進電電機 五相步進電電機 步進電機的的驅(qū)動系系統(tǒng) 步進電機在在單單僅僅給予電電壓時，電電機是不不會動作作的，必必須透過過脈波產(chǎn)產(chǎn)生器提提供位置置（脈波波數(shù)）、速速度的脈脈波信號號指令，以以及驅(qū)動動器驅(qū)動動電流流流過電機機內(nèi)部線線圈、依依順序切切換激磁磁相序的的方式才才能夠讓讓電機運運轉(zhuǎn)。所所以欲使使步進電電機動作作的必要要系統(tǒng)組組成有： 1.脈脈沖產(chǎn)生生器：給給予角度度（位置置移動量量）、動動作速度度及運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)方向之之脈沖信信號的電電機驅(qū)動動指令。 2.步進驅(qū)動器：依控制器所投入的脈沖信號指令，提供電流來驅(qū)動步進電機動作。 3.步進電機：提供轉(zhuǎn)矩動力輸

9、出來帶動負載。所以步進電機系統(tǒng)構(gòu)成簡單，不需要速度感應(yīng)器（ENCODER、轉(zhuǎn)速發(fā)電機）、位置傳感器（SENSOR），即能依照脈沖產(chǎn)生器所輸入的脈沖來做到速度及位置的控制。 步進電機的的速度、位位置控制制 速度控制制： 步步進電機機的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速度會會與輸入入的脈沖沖速度成成等比例例的關(guān)系系，所以以在脈沖沖的速度度愈快時時，步進進電機的的轉(zhuǎn)速也也會跟著著加快；脈波速速度愈慢慢時，電電機的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速自然然也跟著著變慢。電機的運轉(zhuǎn)速度（RPM）與脈沖速度（PPS，又稱Hz）間的關(guān)系式如下：電機的運轉(zhuǎn)速度（RPM） 脈沖速度（PPS或 Hz） 60 步進電機分割數(shù)/圈說明： 1.RPM為一般電機的速度單位，即

10、 rev / min，為每分鐘電機所轉(zhuǎn)的圈數(shù)；PPS為步進、伺服電機的速 度單位位，即ppulsse pper seccondd，為每每秒所送送出的脈脈沖數(shù)。 2.由由于RPPM與PPSS的單位位不同，所所以于轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換的過過程中要要先將PPPS的的秒鐘乘乘以600變?yōu)榉址昼?。 33.步進進電機分分割數(shù)/圈，又又代表要要讓電機機轉(zhuǎn)一圈圈所必須須送出的的脈沖數(shù)。 4.上上述公式式拆解后后之單位位表示為為 reev/mmin = ppulsse/ssec 60 1/分割割數(shù) 實例：五相相半步級級角0.36時（即即10000分割割/圈） （1）電機機的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速度6600RRPM時時，即相相當(dāng)于脈脈沖速

11、度度10,0000PPSS。 （2）脈沖速度度3,0000PPPS，即即相當(dāng)于于電機的的運轉(zhuǎn)速速度1880RPPM。位置控控制： 步步進電機機不需要要位置傳傳感器（SENSOR），就可依照輸入的脈沖數(shù)決定移動量，并將負載順利、正確的送達指定位置點上。而移動量的大小，是依照電機分辨率的大小與輸入的脈沖數(shù)來決定。脈沖數(shù)（PULSE）與移動量間的關(guān)系式如下： 位置移動量（ ） 步進電機分辨率（ ） 輸入脈沖數(shù) 實例：二相全步級角1.8時 當(dāng)輸入1000個脈沖數(shù)（即1000PULSE），此時之移動量會是1800，剛好為5圈。 步進電機疑疑難雜癥癥處理 如何有效改改善步進進電機的的溫升問問題？ 可依下列

12、步步驟作做做檢查及及確認： 1.是否用用于連續(xù)續(xù)運轉(zhuǎn)的的場合？ （步進電機機的特性性并不適適合于連連續(xù)運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的場合合下使用用,在此場場合下使使用時一一定會有有較高的的溫升 產(chǎn)產(chǎn)生。請請重新確確認機構(gòu)構(gòu)動作需需求條件件并重新新評估使使用的電電機。） 2.請確認認機構(gòu)動動作頻度度、周期期？ （走停的動動作頻度度過高將將可能因因脈沖輸入入停止的的時間過過短而導(dǎo)導(dǎo)致電流流尚未下下降就又又重新激激活， 故故此時的的溫升一一定會較較高。建建議您可可將動作作頻度降降低以改改善溫升升問題。 3.將RUUN電流流調(diào)小情情況可否否改善？ （在轉(zhuǎn)矩足足夠的情情況下將將驅(qū)動器器的RUUN電流流調(diào)小將將可有效效的使溫溫

13、升降低低。但若若因扭力力的關(guān)系系 一一定得使使用到較較大的電電流時,則建議議您可將將電機更更換為大大一等級級的電機機后再將將電流調(diào)調(diào)低以改改 善善溫升問問題。） 4.將STTOP電電流調(diào)小小情況可可否改善善？ （在保持力力足夠的的情況下下將驅(qū)動動器的SSTOPP電流調(diào)調(diào)小將可可于電機機停止時時有效的的使溫升升降低。但但 若若因停止止保持力力的關(guān)系系一定得得使用到到較大的的STOOP電流流時,則建議議您可將將電機更更換為大大一等級級 的的電機后后再將電電流調(diào)低低以改善善溫升問問題。） 5.驅(qū)動器器上的指指撥開關(guān)關(guān)是否打打開電流流自動降降低檔？ （若未打開開,電機機停止時時電流將將無法自自動下降降,溫升會會因此而而較高。建建議使用用此功能能， 將將可避免免步進電電機及驅(qū)驅(qū)動器的的溫升問問題。） 6.目前使使用的速速度是否否界于溫溫升較高高(即電流流較大)的范圍圍內(nèi)？(由特性性曲線圖圖中的電電流曲線線得知) （請盡量避避開溫升升較高的的速度范范圍使用用,對于溫溫升的降降低將有有幫助。） 7.周圍環(huán)環(huán)境溫度度如何?是否過過高？ （電機溫度度環(huán)境境溫度電機溫溫升，故故環(huán)境溫溫度較高高時，電電機的溫溫度也會會因