步进电机工作原理发热原理构造类型优缺点选择发展趋势板钻

2018-03-31 13:19:50来源： 贤集网

什么是步进电机？步进电机，又称为步进器，是一种应用电磁学原理，将电能转化成机械能的感应电机，步进电机有较广泛应用范围，如办公自动化、工厂自动化、医疗器械、计量仪器、银行ATM设备、汽车、娱乐设备、通信设备、舞台灯光等领域。下面贤集网小编为大家介绍步进电机工作原理、发热原理、构造、类型、优缺点、选择、行业发展前景与方向。

什么是步进电机

步进电机可以看作没有换向器的电动机。典型地，电动机中的所有绕组都是定子的一部分，并且转子可以是永磁体，或者在可变磁阻电机的情况下，可以是一些软磁材料的齿块。所有的换向必须由马达控制器在外部进行处理，通常，马达和控制器被设计成使得马达可以保持在任何固定的位置以及单向或双向旋转。大多数步进器，因为它们也是已知的，可以在音频上步进，允许它们快速旋转，并且使用合适的控制器，它们可以在受控的方向上“开始”和“停止”。

步进电机原理主要构造

步进电机的结构与一般电动机的结构相类似，也分为定子和转子两部分，它们均由磁性材料构成。转子部分由转子1、转子2和永久磁铁三部分构成，定子部分包括铁芯和绕组，其中绕组位于定子的六个磁极上，每两个相对的磁极组成一相，如下图所示。步进电机其实就是靠绕在定子齿槽上的线圈来驱动的。

步进电机工作原理

在步进电机中，每当定子绕组上有电流流过时，便会产生一个旋转的磁场，带动转子转过一定角度，使其磁场方向与定子保持一致。因此可通过控制输入脉冲信号的个数来控制步进电机转动的总角度，通过控制输入脉冲信号的频率来控制步进电机转动的速度，通过控制定子绕组的通电顺序来控制步进电机是否发生反转，进而达到通过控制输入脉冲信号来控制步进电机转动的目的。

步进电机的工作状态

静态：

静态即指转子瞬时锁定状态，就是在电机控制绕组里通以直流电流（脉冲频率f=0），且转子处于锁定不懂的状态。在这种状态时，电机绕组相电流最大，且绕组不进行换装，因此电机在接通相里（非全部的）发出不均匀的热。发热是最严重的状态之一。

稳态：

稳定同步状态发生在控制脉冲的频率恒定的情况下。此时转子恒速转动，也可认为是相对于同步速度做周期性的波动。这种状态可分为极限（即连续频率下）和非极限两类。

电机输出轴在一定负载下的最大脉冲频率fmax和转子相应的最大转速nmax就是极限同步状态。在这种状态下，转子实际上是均匀无摇摆的旋转。这种状态要在一定的启动程序下才能达到。当脉冲频率高于fmax时，转子就不同步了（即失步）。

在控制频率小于fmax时，电机就处于非极限稳定状态。这种状态常常包含转子的稳定摇摆（振荡），而在共振频率区域这种摇摆特别危险。

基本过渡状态：

（1）当频率从零突变到启动fq时，电机转子的速度从零加速到以极限速度启动（通常把运动极限频率称为空载最高情动频率）。高于这个最大突变频率fq（通常称为启动频率或者灵敏度频率）使电机不失步地启动是不可能的。

（2）当突然中断控制脉冲时，电机从稳定同步状态急剧减速到停车锁定，这个稳定同步状态时频率称为稳定极限刹车频率fs。高于这个频率时，进行无滑动刹车是不可能的，只有逐步降频再刹车才能保证不过冲。

（3）电机反转，当突然变更绕组换接的交替顺序时，转子从一个旋转方向的稳定同步转台突变到相反专项的另一个稳定同步状态。这里也存在一个极限反转频率ft。高于此频率，转子就失步，即与所给程序信息有误差。

启动，刹车和反转可以在各种各样（非零的）的初始条件（角度θ和转速η）下实现。

但是，初始条件强烈的影响fq，fs和ft的具体数值，拖动计算因而是困难的。因此，在研究电机频率特性时应该负有初始条件，而且在设计程序中硬开率初始条件。同样，在选用电机时，也应该详细了解这些频率特性的实验条件，以及数据获得的情况（包括初始条件）。

步进电机发热原理

发热是铜损和铁损等损耗的一种表现形式，会影响电动机的工作效率。其中“铜损”是指绕组中电阻在通电时产生的损耗，大小与电阻和电流的平方成正比。“铁损”是指铁芯的磁滞涡流效应在交变磁场中产生的损耗，大小与材料、频率、电压、电流有关。在电流不是标准电流或正弦波的情况下，还会产生谐波损耗等。

由于步进电机追求精确定位和力矩输出，电流较大，谐波成分较高，电流交变频率随转速变化，效率较低 ，因而存在较严重的发热现象。

步进电机类型

目前，市场中应用广泛的步进电机是混合式步进电机（Hybrid Stepping Motor，HB步进电机）与永磁式步进电机（Permanent Magnet Stepping Motor，PM步进电机），VR步进电机已基本淘汰。HB步进电机可以实现非常精确的小增量步距运动，可达到复杂、精密的线性运动控制要求；PM步进电机的转矩和体积相对较小，控制精度要求不高，输出力矩较小，是一种成本较为经济的选择。由于技术发展和工业应用需求，PM步进电机细分为直线型和旋转型两类。

对于某些应用，可以选择使用伺服电机和步进电机。两种类型的电机都提供了类似的精确定位机会，但它们在许多方面有所不同。伺服电机需要某种类型的编码器反馈控制系统。通常，这涉及光学或磁性编码器以提供关于转子位置的反馈，以及电路的一些混合，以通过电动机驱动电流，与期望位置和当前位置之间的差异成反比。

在步进和伺服之间进行选择时，必须考虑一些问题。比如用步进电机进行定位的重复性取决于电机转子的几何形状，而用伺服电机进行定位的重复性通常取决于编码器和反馈电路中其他部件的稳定性。

步进电机可用于简单的开环控制系统； 这些通常适用于在静态载荷下以低加速度运行的系统，但是闭环控制对于高加速度来说可能是必不可少的，特别是如果它们涉及可变载荷的话。如果开环控制系统中的步进电机过载，则转子位置的所有知识都将丢失，系统必须重新初始化； 伺服电机不受此问题的困扰。

步进电机也可用于闭环系统，与伺服系统类似，增加了编码器和反馈驱动电路。性能得到提高，但需要额外的成本。

步进电机有两种类型，永磁体和可变磁阻（也有混合电机，从控制器的角度来看与永磁电机没有区别）。如果缺少电机上的标签，通常在没有电源的情况下，可以通过感觉来分辨两者。当你用手指扭动转子时，永磁电动机倾向于“齿轮”，而可变磁阻电动机几乎可以自由旋转（尽管由于转子中的剩余磁化，它们可能会轻微地转动）。你也可以用欧姆表来区分这两个品种。可变磁阻电动机通常有三个（有时是四个）绕组，有共同的回路，而永磁电动机通常有两个独立的绕组，有或没有中心抽头。

步进电机具有广泛的角度分辨率。最粗糙的电机通常每步旋转90度，而高分辨率的永磁电机每步通常可以处理1.8或甚至0.72度。使用合适的控制器，大多数永磁体和混合电机可以半步运行，一些控制器可以处理更小的步数或微步。

对于永磁电机和可变磁阻步进电机，只要电机的一个绕组通电，转子（空载）就会锁定在一个固定角度，然后保持该角度，直到转矩超过电机的保持转矩哪一点，转子会转动，试图保持在每个连续的平衡点。

步进电机的优点

可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。

位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差（一般3%——5%）不积累，可以组成结构较为简单又具有一定精度的开环控制系统，也可应用在更高精度要求的闭环控制系统。

无刷，电机本体部件少，可靠性高。

步进电机的缺点

步进电动机带惯性负载能力较差，因此大的惯性负载一般要求电机驱动时有加减速过程。

由于存在失步和共振，步进电机的加减速方法根据使用状态的不同而比较复杂。

步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

步进电机的选择及注意事项

步矩角的选择

电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。

目前我公司使用的步进电机的步距角一般有3.75度/7.5度、0.9度/1.8度、7.5度/15度等。

力矩的选择

一般电机规格书会标明保持力矩、Detent torque（磁阻力矩）。

但评估力矩最重要的根据为电机矩频特性曲线。

应充分评估电机的启动频率、最大运行频率，对照矩频特性曲线算出电机的输出扭矩，并评估其力矩是否满足结构负载的要求。

特殊产品设计中还要考虑Detent torque，以保证电机在非通电情况下定位的精准。

电机电流的选择

保持力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大。

可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。

步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，如何克服？

若步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；

采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法；? 换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；? 换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；细分驱动的细分数是否能代表精度？

细分技术实质上是一种电子阻尼技术，主要目的是减弱步进电机的低频振动，而提高电机的运转精度只是一个附带功能。比如对于步进角为1.8°的两相混合式电机，如果细分数设置为4，那么理论上每个脉冲步进0.45°，但精度能否达到或接近0.45°，还取决于细分驱动器的电流控制精度、电机步矩角误差等因素，且不同厂家的驱动芯片电流控制精度差别很大，细分数越大精度越难控制。

如何尽量减小步进电机发热呢？

减少发热，就是减少铜损和铁损。

减少铜损有两个方向，减少电阻和电流；在选型时尽量选择电阻小和额定电流小的电机，但是这往往与力矩和高速的要求相抵触。对于已经选定的电机，在电机处于静态时自动减少电流或者切断电流。另外，细分驱动器由于电流波形接近正弦，谐波少，电机发热也会较少。

铁损与电机使用的铁芯的材料有关，与驱动电压、电流、频率等也有关。减少铁损的办法不多，但在总的发热中铁损占的比例较小。

步进电机在静态和低速下，电流会维持相对恒定，速度高到一定程度，电机内部反电势升高，电流将逐步下降，力矩也会下降。因此，因铜损带来的发热情况就与速度相关，一般静态和低速时发热高，高速时发热低。但是铁损变化的情况却不尽然，而电机整个的发热是二者之和。

步进拖动的特性由驱动线路、机械结构和步进电动机各自的特性所决定。

步进电机行业发展前景与方向

步进电机未来的发展方向是从开环走向闭环，与驱动器和伺服系统集成一体化发展。步进电机与驱动器一体化发展、与BIDCM（稀土永磁无刷直流电机）交流伺服电动机系统结合发展是两个重要潮流，步进电机已逐步使用全闭环式控制，具备伺服电机的功能。未来，步进电机体积更小巧、性能更优越、性价比更高，将在家庭机器人、民用智能化设备等民用设备中批量化使用。

随着工业自动化水平的提高，新兴经济体对步进电机的需求量日益提高。步进电机已渗透到多重经济领域并还在不断深化，如电脑、通信设备、办公自动化、工业自动化、银行设备等领域。未来，涉及人们日常生活衣、食、住、行的众多制造和应用领域在不断升级，新兴行业不断涌现，将对步进电机提出新的需求。

前瞻产业研究院分析认为，2018-2023年，我国步进电机制造行业市场规模将保持5.1%左右的年均增速。乐观预计，到2023年，行业市场规模有望突破180亿元。

以上就是关于步进电机工作原理、发热原理、构造、类型、优缺点、选择、行业发展前景与方向的介绍，当前从总体上看，步进电机的生产量和需求量巨大。步进电机是除直流电动机和交流电动机以外应用最广泛的第三类电动机，在开环高分辨率的定位系统中，至今还没有发现更适合取代它的产品，特别是在一些功率小的系统中，步进电机具有不可替代的主流地位，因而一直保有较大的市场需求量。同时步进电机的下游应用领域正不断深化，并衍生出新的市场需求。

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