直流电机会永远不失步吗? 浅谈直流电机的失步现象

　　本文主要是关于直流电机的相关介绍，并着重对直流电机失步现象进行了详尽的阐述。

　　直流电机

　　直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

　　

　　组成结构

　　直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

　　定子

　　（1）主磁极

　　主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。

　　铁心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上，

　　（2）换向极

　　换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。

　　（3）机座

　　电机定子的外壳称为机座。机座的作用有两个：

　　一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；

　　二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。

　　（4）电刷装置

　　电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。

　　转子

　　（1）电枢铁心

　　电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。

　　一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。

　　（2）电枢绕组

　　电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈（以下称元件）按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。

　　（3）换向器

　　在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，

　　使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。

　　（4）转轴

　　转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。

　　主要分类

　　直流发电机

　　直流发电机是把机械能转化为直流电能的机器。它主要作为直流电动机、电解、

　　电镀、电冶炼、充电及交流发电机的励磁电源等所需的直流电机。虽然在需要直流电的地方，也用电力整流元件，把交流电转换成直流电，但从某些工作性能方面来看，交流整流电源还不能完全取代直流发电机。

　　直流电动机

　　将直流电能转换为机械能的转动装置。电动机定子提供磁场，直流电源向转子的绕组提供电流，换向器使转子电流与磁场产生的转矩保持方向不变。根据是否是否配置有常用的电刷-换向器可以将直流电动机分为两类，包括有刷直流电动机和无刷直流电动机。

　　无刷直流电机是近几年来随着微处理器技术的发展和高开关频率、

　　低功耗新型电力电子器件的应用，以及控制方法的优化和低成本、高磁能级的永磁材料的出现而发展起来的一种新型直流电动机。

　　无刷直流电机既保持了传统直流电机良好的调速性能又具有无滑动接触和换向火花、可靠性高、使用寿命长及噪声低等优点，因而在航空航天、数控机床、机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面都获得了广泛应用。

　　按照供电方式的不同，无刷直流电机又可以分为两类：方波无刷直流电动机，其反电势波形和供电电流波形都是矩形波，又称为矩形波永磁同步电动机；正弦波无刷直流电动机，其反电势波形和供电电流波形均为正弦波。

　　直流电机会永远不失步吗

　　说起步进电机，对于电气控制行业的工程师来说应该再熟悉不过了！它的误差不会长期积累，能够实现精确定位，控制比伺服简单等优点，但步进电机精确控制的前提是电机不发生失步，如何才能避免步进电机失步？

　　步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机。在未发生失步情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数并不受负载变化的影响，当步进电机接收到一个脉冲信号时，电机就按设定的方向转一个固定的角度（步进角或步距角），通过控制脉冲数和脉冲频率来控制电机角位移量及电机转速从而达到精确的开环控制。另外，步进电机每走一步所转过的角度与理论步距之间总有一定的误差，从某一步到任何一步，也总有一定的误差，但是，步进电机每转一周的步数相同，在不失步的情况下，其步距误差不会长期累积。

　　上面提到的都是在不失步的情况，如何才能避免失步呢？首先我们需要知道造成电机失步的因素：

　　1、转子加速度慢于步进电机的旋转磁场;

　　2、转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度;

　　3、电机负载惯性较大;

　　4、步进电机产生共振。

　　转子加速度慢于步进电机的旋转磁场即转子速度低于换相速度时，电机会产生失步，这是因为输入电机的电能不足，产生的力矩无法使转子速度跟上定子磁场的旋转速度，从而引起失步。转子平均速度高于定子磁场平均旋转速度，这是定子通电励磁的时间较长，大于步进所需的时间，转子在步进过程中获得过多的能量，导致电机产生的转矩过大从而引起电机越步。

　　以上导致步进电机失步的原因实质是步进电机驱动器选择不当而导致，只有选择正确合适的步进驱动器才能使步进电机发挥其控制精确的优势。选择合适的驱动器需要根据电机的电流，配用大于或等于此电流的驱动器。如果需要低振动或高精度时，可配用细分型驱动器。对于大转矩电机，尽可能用高电压型驱动器，以获得良好的高速性能。同时对于驱动电源，很多人直接使用开关电源作为驱动电源，但是，一般不要使用开关电源，特别是大力矩电机，除非选用比需要的功率大一倍以上的开关电源。因为，电机工作时是大电感型负载，会对电源端形成瞬间的高压。而开关电源的过载性能不好，会保护关断，且其精密的稳压性能又不需要，有时可能造成开关电源和驱动器的损坏。对于步进电机的驱动电源，可以用常规的环形或R 型变压器变压的直流电源。

　　步进电机产生共振是因为电机接收的脉冲频率等于步进电机的固有频率，该频率与驱动器的细分有关系。我们一般使用步进电机时，驱动器的细分能力很重要，共振范围越小越好。对于电机负载惯性较大是由于电机超载而引起，因此在使用时只需注意不要让电机过载即可避免。

　　步进电机和驱动器的选取

　　步进电机和驱动器的选择方法比较多，但选择步进电机应遵循先选电机后选步进电机驱动器原则，先明确负载特性，再通过比较不同型号步进电机的静力矩和矩频曲线，找到与负载特性最匹配的步进电机。东么川工程师给您推荐以下几点步进电机选择方法：

　　1、 步过电机转速的选择对于电机的转速也要特别考虑。因为，电机的输出转矩，与转速成反比。就是说，步进电机在低速（每分钟几百转或更低转速，其输出转矩较大），在高速旋转状态的转矩（1000转/分--9000转）就很小了。当然，有些工况环境需要高速电机，就要对步进电动机的线圈电阻、电感等指标进行衡量。选择电感稍小一些的电机，作为高速电机，能够获得较大输出转矩。反之，要求低速大力矩的情况下，就要选择电感在十几或几十mH，电阻也要大一些为好。

　　2、 步进电机转矩的选择步进电机的保持转矩，近似于传统电机所称的“功率”。当然，有着本质的区别。步进电动机的物理结构，完全不同于交流、直流电机，电机的输出功率是可变的。通常根据需要的转矩大小（即所要带动物体的扭力大小），来选择哪种型号的电机。大致说来，扭力在0.8N.m以下，选择20、28、35、42（电机的机身直径或方度，单位：mm）;扭力在1N.m左右的，选择57电机较为合适。扭力在几个N.m或更大的情况下，就要选择86、110、130等规格的步进电机。

　　3、 步进电机的相数选择步进电机的相数选择，这项内容，很多客户几乎没有什么重视，大多是随便购买。其实，不同相数的电机，工作效果是不同的。相数越多，步距角就能够做的比较小，工作时的振动就相对小一些。大多数场合，使用两相电机比较多。在高速大力矩的工作环境，选择三相步进电机是比较实用的。

　　4、 步进电机空载起动频率的选择步进电机空载起动频率，通常称为“空起频率”。这是选购电机比较重要的一项指标。如果要求在瞬间频繁启动、停止，并且，转速在1000转/分钟左右（或更高），通常需要“加速启动”。如果需要直接启动达到高速运转，最好选择反应式或永磁电机。这些电机的“空起频率”都比较高。

　　5、 针对步进电机使用环境来选择特种步进电机能够防水、防油，用于某些特殊场合。例如水下机器人，就需要放水电机。对于特种用途的电机，就要针对性选择了。

　　对步进电机非常了解的人都知道，这种电机的力矩是会随着转速的升高而下降的，同时也都清楚这种电机在低速时可以正常运转，但是在运转速度高出一定的数值之后，就有可能出现无法启动的现象。

　　这是因为步进电机有空载启动频率这个重要的技术参数，指的是电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于这个参数数值，电机就不能正常启动，容易发生失步或堵转现象。尤其是在电机本身有负载的情况下，启动频率会更低，否则以较高的速度启动，电机无法正常运行使用。

　　如果使用当中必须要使电机达到高速转动，那么在脉冲频率方面就应该有一个加速过程，不能一开始启动的时候直接得到很高的脉冲频率。具体来说就是大家在启动电机的时候采取用较低的频率，等到电机正常启动运转之后，再按一定加速度升到所希望的高频，以电机由低速升到高速的过程，来满足电机高速转动运行需求。

　　所以，大家在使用步进电机的时候，一定要注意对其做好启动运行操作，避免出现高速无法启动电机这类现象。

　　步进电机失步产生的原因以及解决的方法

　　（1）、转子的加速度慢于步进电动机的旋转磁场（转子的力 n 速度慢于步进电动机的旋转磁场，即低于换相速度时，步进电动机会产生失步）。

　　原 因：输入电动机的电能不足，在步进电动机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的旋转速度，从而引起失步。由于步进电动机的动态输出转矩随着连续运行频率的上升而降低，因而，凡是比该频率高的工作频率都将产生丢步。这种失步说明步进电动机的转矩不足，拖动能力不够。

　　解决方法：

　　①使步进电动机本身产生的电磁转矩增大。

　　a.可在额定电流范围内适当加大驱动电流；

　　b.在高频范围转矩不足时，可适当提高驱动电路的驱动电压；

　　c.改用转矩大的步进电动机等。

　　②使步进电动机需要克服的转矩减小。

　　a.可适当降低电动机运行频率，以便提高电动机的输出转矩；

　　b.设定较长的加速时间，以便转子获得足够的能量。

　　（2）、转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度（转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度，这时定子通电励磁的时间较长，大于转子步进一步所需的时间，则转子在步进过程中获得了过多的能量，使得步进电动机产生的输出转矩增大，从而使电动机越步。当用步进电动机驱动那些使负载上、下动作的机构时，更易产生越步现象）

　　原 因：负载向下运动时，电动机所需的转矩减小。

　　解决方法：减小步进电动机的驱动电流，以便降低步进电动机的输出转矩。

　　（3）、步进电动机及所带负载存在惯性

　　原 因：步进电动机自身及所带负载存在惯性，使得电动机在工作过程中不能立即起动和停止，而是在起动时出现丢步，在停止时发生越步。

　　解决方法：通过一个加速和减速过程，即以较低的速度起动，而后逐渐加速到某一速度运行，再逐渐减速直至停止。进行合理、平滑的加减速控制是保证步进驱动系统可靠、高效、精确运行的关键

　　（4）、步进电动机产生共振

　　原 因：共振（步进电动机处于连续运行状态时，如果控制脉冲的频率等于步进电动机的固有频率，将产生共振。在一个控制脉冲周期内，振动得不到充分衰减，下一个脉冲就来到，因而在共振频率附近动态误差最大并会导致步进电动机失步）。

　　解决方法：①适当减小步进电动机的驱动电流；②采用细分驱动方法；③采用阻尼方法，包括机械阻尼法。

　　结语

　　关于直流电机的相关介绍就到这了，如有不足之处欢迎指正。

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