一.步進電動機的構(gòu)造

步進電動機構(gòu)造上大致分為定子與轉(zhuǎn)子兩部分。 轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子 1、轉(zhuǎn)子 2、永久磁鋼等 3 部分構(gòu)成。而且轉(zhuǎn)子朝軸方向 已經(jīng)磁化，轉(zhuǎn)子 1 為 N 極時，轉(zhuǎn)子 2 則為 S 極。

定子擁有小齒狀的磁極，共有 10 個，皆繞有線圈。 其線圈的對角位置的磁極相互連接著，電流流通后，線圈即會被磁 化成同一極性。(例如某一線圈經(jīng)由電流的流通后，對角線的磁極將 同化成 S 極或 N 極。) 對角線的 2 個磁極形成 1 個相，而由于有 A 相至 E 相等 5 個相位， 因此稱為 5 相步進電動機。 轉(zhuǎn)子的外圈由 50 個小齒構(gòu)成，轉(zhuǎn)子 1 和轉(zhuǎn)子 2 的小齒于構(gòu)造上互 相錯開 1/2 螺距。

勵磁∶電動機線圈通電時的狀態(tài) 磁極∶經(jīng)由勵磁而磁化的定子的突出部分 小齒∶轉(zhuǎn)子和定子的齒狀

二.步進電動機的工作原理

實際上經(jīng)過磁化后的轉(zhuǎn)子及定子的小齒的位置關(guān)系，在此說明如下。

A相勵磁

將 A 相勵磁，會使得磁極磁化成 S 極，而其將與帶有 N 極磁性的 轉(zhuǎn)子 1 的小齒互相吸引，并與帶有 S 極磁性的轉(zhuǎn)子 2 的小齒相斥， 于平衡后停止。此時，沒有勵磁的 B 相磁極的小齒和帶有 S 極磁性 的轉(zhuǎn)子 2 的小齒互相偏離 0.72°。以上是 A 相勵磁時的定子和轉(zhuǎn)子 小齒的位置關(guān)系。

B相勵磁

其次由 A 相勵磁轉(zhuǎn)為 B 相勵磁時，B 相磁極磁化成 N 極，與擁有 S 極磁性的轉(zhuǎn)子 2 互相吸引，而與擁有 N 極磁性的轉(zhuǎn)子 1 相斥

也就是說，從A相勵磁轉(zhuǎn)換至B相勵磁時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動0.72°。由此可知， 勵磁相位隨 A 相→ B 相→ C 相→ D 相→ E 相→ A 相依次轉(zhuǎn)換，則 步進電動機以每次 0.72°做正確的轉(zhuǎn)動。同樣的，希望作反方向轉(zhuǎn) 動時，只需將勵磁順序倒轉(zhuǎn)，依照 A 相→ E 相→ D 相→ C 相→ B 相→ A 相勵磁即可。 0.72°的高分辨率，是取決于定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)造上的機械偏移量，所 以不需要編碼器等傳感器即可正確的定位。另外，就停止精度而言， 會影響的只有定子與轉(zhuǎn)子的加工精度、組裝精度、及線圈的直流電 阻的不同等而已，因此可獲得 ±3 分(無負載時)的高停止精度。 實際上步進電動機是由驅(qū)動器來進行勵磁相的轉(zhuǎn)換，而勵磁相的轉(zhuǎn) 換時機則是由輸入驅(qū)動器的脈沖信號所進行。以上舉的是 1 相位勵 磁的例子，實際運轉(zhuǎn)時，為有效利用線圈同時進行 4 相或 5 相勵磁的。

●控制方法的概要

◇內(nèi)藏新開發(fā)的轉(zhuǎn)子位置檢測傳感器 在電動機的反輸出軸側(cè)藏有轉(zhuǎn)子位置檢測傳感器

利用傳感器線圈檢測由于轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)位置所決定的磁阻的變化。

◇采用新概念的閉環(huán)控制系統(tǒng)

通過偏差計數(shù)器的演算可得知，脈沖信號的指令位置與實際的轉(zhuǎn)子 運轉(zhuǎn)位置的偏差量(不足/過轉(zhuǎn))。 通過偏差計數(shù)器的演算結(jié)果判斷是否進入「失步領(lǐng)域」，以轉(zhuǎn)換開環(huán) 模式/閉環(huán)模式。 · 位置偏差量未達 ±1.8°時，以開環(huán)模式進行運行。 · 位置偏差量超過 ±1.8°時，以閉環(huán)模式進行運行。

于閉環(huán)電路模式下，驅(qū)動器會控制電動機線圈的勵磁狀態(tài)，令其對 于轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)位置產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。 采用此種控制方式，于角度-轉(zhuǎn)矩特性上沒有所謂的不穩(wěn)定點(失 步領(lǐng)域)。

◇提升步進電動機的性能

●高速領(lǐng)域的轉(zhuǎn)矩特性更容易使用 因為不會失步，因此使用時不需如以往的步進電動機 一般需要考慮以下各點∶ · 起因于控制器的脈沖 Profile 的加減速常數(shù)、慣性比的限制 · 起因于失步的起動脈沖速度的限制 因此可更簡單的于超過自起動領(lǐng)域的領(lǐng)域中進行高速運行。

●使用速度濾波器開關(guān)調(diào)整起動時/停止時的響應(yīng)性 不需變更控制器的數(shù)據(jù)(起動脈沖速度、加減速常數(shù))即可將起 動時/停止時的響應(yīng)性做 16 種類的調(diào)整。 此一功能主要目的是希望能減少對工作物的保護，以及降低低速 運行時的振動。

步進電動機的基本特性

使用步進電動機時，電動機的特性是否符合使用條件，是相當重要 的一點。 在此說明步進電動機使用時的重要特性。 步進電動機的特性可大略分為兩項。 ●動態(tài)特性∶ 這是與步進電動機起動或運轉(zhuǎn)時有關(guān)的特性。主要會影響機器的 工作、周期時間等。 ●靜態(tài)特性∶ 這是與步進電動機停止時角度變化有關(guān)的特性，主要會影響機器 的精度。

●動態(tài)特性 ◇轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性

表示驅(qū)動步進電動機時的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，其特性圖如上所示。 這是選用步進電動機時所必須考慮的特性。橫軸代表電動機輸出軸 的轉(zhuǎn)速，而縱軸則代表轉(zhuǎn)矩。 轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性取決于電動機與驅(qū)動器，因使用的驅(qū)動器的種類不 同將產(chǎn)生很大的差異。

q 保持轉(zhuǎn)矩(Holding Torque) 步進電動機于通電狀態(tài)(額定電流)停止時， 所能保持的最大轉(zhuǎn) 矩(保持力)。 w 最大同步轉(zhuǎn)矩(Pullout Torque) 各種轉(zhuǎn)速所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩。 選用電動機時必須注意所需轉(zhuǎn)矩一定要在此曲線的內(nèi)側(cè)。 e 最大自起動頻率(f s) 步進電動機于摩擦負載、慣性負載為 0 時，可瞬時(無加減速時 間)起動、停止的最大脈沖速度。 若以比此更大的脈沖速度來驅(qū)動電動機時，則有必要進行緩慢加 減速。電動機上有慣性負載時，則此頻率會有所下降。 (請參考慣性負載-自起動頻率特性) 最大響應(yīng)頻率(f r) 步進電動機于摩擦負載、慣性負載轉(zhuǎn)為 0 時，進行緩慢的加減速 時可運行的最大脈沖速度。

下圖為代表 5 相步進電動機組合的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性。

◇慣性負載-自起動頻率特性

表示因自起動頻率的慣性負載而產(chǎn)生變化的特性。 步進電動機的轉(zhuǎn)子本身或負載，因有慣性慣量存在，因此于瞬時起 動或停止時，電動機軸會產(chǎn)生遲延或超過的現(xiàn)象。此一數(shù)值會隨脈 沖速度而變化，但是若超過某一數(shù)值時電動機將無法追隨脈沖速度， 而產(chǎn)生失步(miss-step)現(xiàn)象。 此一即將失步前的脈沖速度就稱為自起動頻率

相對于慣性負載的最大自起動頻率的變化可以下列公式算出近似值。

=f

fs

JL J0

[Hz]

1+

fs∶電動機單體的最大自起動頻率 [Hz] f ∶有慣性負載時的最大自起動頻率 [Hz] Jo∶轉(zhuǎn)動慣量 [kg.m2(gfcm2)] JL∶負載的慣性慣量 [kg.m2(gfcm2)] (J= 的關(guān)系存在) GD2 4

◇振動特性 步進電動機以連續(xù)的步距狀態(tài)邊移動邊重復(fù)運轉(zhuǎn)。其步距狀態(tài)的移 動會產(chǎn)生如下所示的 1 步距響應(yīng)。

q 停止狀態(tài)的步進電動機輸入 1 脈沖時，會朝下一個步距角進行加 速。 w 加速后的電動機通過步距角并超過某個角度后，則會朝反方向被 拉回。 e 如此般衰減振動后，將于既定的步距角度位置上停止下來

●電磁制動

保持電動機位置的機械式制動。本公司采用因停電等造成電源中斷 時可立即自動保持電動機位置的無勵磁動作型電磁制動。

●齒隙 為減速機或聯(lián)軸器上的間隙。齒隙角度的范圍是無法控制的，愈小 愈容易執(zhí)行高精度定位。本公司備有無齒隙的諧波減速機、PN 減 速機或齒隙較小的 PL 減速機、TH 減速機。

●脈沖輸入方式 以脈沖指令方式控制 CW、CCW 的運轉(zhuǎn)方向。有單脈沖(1P)輸入 方式與雙脈沖(2P)輸入方式。單脈沖輸入方式是依據(jù)脈沖信號與 運轉(zhuǎn)方向信號產(chǎn)生的方式。雙脈沖輸入方式是在 CW 方向輸入 CW 脈沖，在 CCW 方向輸入 CCW 脈沖的方式。

●光耦合器(ON、OFF) 光耦合器是將電信號轉(zhuǎn)換為光進行傳動的，輸入與輸出是采取電氣 絕緣的方式， 具有不易受干擾的特性。本公司的定義為驅(qū)動器內(nèi)部 的光耦合器(晶體管)通電狀態(tài)時為「ON」，驅(qū)動器內(nèi)部的光耦合 器(晶體管)非通電狀態(tài)時為「OFF」。

OFF ON光 耦合器狀態(tài)

●微步 這是利用控制流入電動機線圈的電流，將步距角細分化，實現(xiàn)高分 辨率的技術(shù)步距角是非常小的，所以不會因步進驅(qū)動產(chǎn)生振動，實 現(xiàn)低振動、低噪音。

●下降 將負載從上向下帶動的工作稱為下降運行。對電動機而言，因為會 受重力而產(chǎn)生被帶動的情形，所以若使用伺服電動機時將會產(chǎn)生發(fā) 電機功能，可能造成驅(qū)動器的損壞，所以必須加裝再生電路。步進 電動機或 因是與脈沖同步轉(zhuǎn)動的，所以下降時也可執(zhí)行速 度控制。

●勵磁原點 指勵磁程序處于初始的狀態(tài)。5 相步進電動機每轉(zhuǎn)動 7.2°時，便到 初始狀態(tài)。

●勵磁程序 步進電動機是依照決定的組合與順序讓電流流入電動機線圈產(chǎn)生旋 轉(zhuǎn)的。電流流入電動機線圈的順序稱為勵磁程序。因電動機或勵磁 方式的種類而異。

●勵磁定時信號 表示勵磁程序為初始狀態(tài)的信號，為一驅(qū)動器上的功能。電動機每 轉(zhuǎn)動 7.2°即輸出一次。因此，5 相整步時為每 10 脈沖，半步時為 每 20 脈沖輸出一次。