步进电机与普通电机有何不同？

　　电动机

 

　　电动机（Motor）是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子（如鼠笼式闭合铝框）形成磁电动力旋转扭矩。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。

 

　　基本结构

 

　　一、三相异步电动机的结构，由定子、转子和其它附件组成。

 

　　（一）定子（静止部分）

 

　　1、定子铁心

 

　　作用：电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。

 

　　构造：定子铁心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。

 

　　定子铁心槽型有以下几种：

 

　　半闭口型槽：电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。一般用于小型低压电机中。

 

　　半开口型槽：可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。

 

　　开口型槽：用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。

 

　　2、定子绕组

 

　　作用：是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。

 

　　构造：由三个在空间互隔120°电角度、对称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。

 

　　定子绕组的主要绝缘项目有以下三种：（保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘）。

 

　　⑴对地绝缘：定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。

 

　　⑵相间绝缘：各相定子绕组间的绝缘。

 

　　⑶匝间绝缘：每相定子绕组各线匝间的绝缘。

 

　　电动机接线盒内的接线：

 

　　电动机接线盒内都有一块接线板，三相绕组的六个线头排成上下两排，并规定上排三个接线桩自左至右排列的编号为1（U1）、2（V1）、3（W1），下排三个接线桩自左至右排列的编号为6（W2）、4（U2）、5（V2），。将三相绕组接成星形接法或三角形接法。凡制造和维修时均应按这个序号排列。

 

　　3、机座

 

　　作用：固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。

 

　　构造：机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。

 

　　（二）转子（旋转部分）

 

　　1、三相异步电动机的转子铁心：

 

　　作用：作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。

 

　　构造：所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300~400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。

 

　　2、三相异步电动机的转子绕组

 

　　作用：切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。

 

　　构造：分为鼠笼式转子和绕线式转子。

 

　　⑴鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。

 

　　⑵绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。

 

　　特点：结构较复杂，故绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机广泛。但通过集流环和电刷在转子绕组回路中串入附加电阻等元件，用以改善异步电动机的起、制动性能及调速性能，故在要求一定范围内进行平滑调速的设备，如吊车、电梯、空气压缩机等上面采用。

 

　　（三）三相异步电动机的其它附件

 

　　1、端盖：支撑作用。

 

　　2、轴承：连接转动部分与不动部分。

 

　　3、轴承端盖：保护轴承。

 

　　4、风扇：冷却电动机。

 

　　注意事项

 

　　⑴在拆卸前，要用压缩空气吹净电机表面灰尘，并将表面污垢擦拭干净。

 

　　⑵选择电机解体的工作地点，清理现场环境。

 

　　⑶熟悉电机结构特点和检修技术要求。

 

　　⑷准备好解体所需工具（包括专用工具）和设备。

 

　　⑸为了进一步了解电机运行中的缺陷，有条件时可在拆卸前做一次检查试验。为此，将电机带上负载试转，详细检查电机各部分温度、声音、振动等情况，并测试电压、电流、转速等，然后再断开负载，单独做一次空载检查试验，测出空载电流和空载损耗，做好记录。

 

　　⑹切断电源，拆除电机外部接线，做好记录。

 

　　⑺选用合适电压的兆欧表测试电机绝缘电阻。为了跟上次检修时所测的绝缘电阻值相比较以判断电机绝缘变化趋势和绝缘状态，应将不同温度下测出的绝缘电阻值换算到同一温度，一般换算至75℃。

 

　　⑻测试吸收比K。当吸收比大于1.33时，表明电机绝缘不曾受潮或受潮程度不严重。为了跟以前数据进行比较，同样要将任意温度下测得的吸收比换算到同一温度。

　　1、系统常识：步进电动机和步进电动机驱动器构成步进电机驱动系统。步进电动机驱动系统的性能，不但取决于步进电动机自身的性能，也取决于步进电动机驱动器的优劣。对步进电动机驱动器的研究几乎是与步进电动机的研究同步进行的。

　　2、系统概述：步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进电动机驱动器接收到一个脉冲信号（来自控制器），它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

　　3、系统控制：步进电动机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电动机驱动器）。控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

　　4、用途： 步进电动机是一种控制用的特种电机，作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，随着微电子和计算机技术的发展（步进电动机驱动器性能提高），步进电动机的需求量与日俱增。步进电动机在运行中精度没有积累误差的特点，使其广泛应用于各种自动化控制系统，特别是开环控制系统。

　　5、步进电机按结构分类：步进电动机也叫脉冲电机，包括反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）等。

　　（1）反应式步进电动机：也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电动机。其定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消耗功率较大，电流最高可达20A，驱动电压较高）；步距角小（最小可做到10’）；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长；启动和运行频率较高。

　　（2）永磁式步进电动机：通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于2A，驱动电压12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；断电时具有一定的保持转矩；启动和运行频率较低。

　　（3）混合式步进电动机：也叫永磁反应式、永磁感应式步进电动机，混合了永磁式和反应式的优点。其定子和四相反应式步进电动机没有区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同），转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和槽）。一般为两相或四相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁式小（一般为1.8度）；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电动机。

　　6、步进电动机的基本参数：

　　（1）电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机工作时的实际步距角，实际步距角和驱动器有关。

　　（2）步进电动机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电动机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。步进电动机增加相数能提高性能，但步进电机的结构和驱动电源都会更复杂，成本也会增加。

　　（3）保持转矩（HOLDING TORQUE）：也叫最大静转矩，是在额定静态电流下施加在已通电的步进电动机转轴上而不产生连续旋转的最大转矩。它是步进电动机最重要的参数之一，通常步进电动机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电动机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电动机。

　　（4）步距精度：可以用定位误差来表示，也可以用步距角误差来表示。

　　（5）矩角特性：步进电动机的转子离开平衡位置后所具有的恢复转矩，随着转角的偏移而变化。步进电动机静转矩与失调角的关系称为矩角特性。

　　（6）静态温升：指电机静止不动时，按规定的运行方式中最多的相数通以额定静态电流，达到稳定的热平衡状态时的温升。

　　（7）动态温升：电机在某一频率下空载运行，按规定的运行时间进行工作，运行时间结束后电机所达到的温升叫动态温升。

　　（8）转矩特性：它表示电机转矩和单相通电时励磁电流的关系。

　　（9）启动矩频特性：启动频率与负载转矩的关系称为启动矩频特性。

　　（10）运行矩频特性/惯频特性：略

　　（11）升降频时间：指电机从启动频率升到最高运行频率或从最高运行频率降到启动频率所需的时间。

　　（12）DETENT TORQUE：是指步进电动机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易产生误解；反应式步进电动机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。

　　7、步进电动机的一些特点：

　　（1）步进电动机没有积累误差：一般步进电动机的精度为实际步距角的3-5%，且不累积。

　　（2）步进电动机在工作时，脉冲信号按一定顺序轮流加到各相绕组上（由驱动器内的环形分配器控制绕组通断电的方式）。

　　（3）即使是同一台步进电动机，在使用不同驱动方案时，其矩频特性也相差很大。

　　（4）步进电动机与其它电动机不同，其标称额定电压和额定电流只是参考值；又因为步进电动机是以脉冲方式供电，电源电压是其最高电压，而不是平均电压，所以，步进电动机可以超出其额定值范围工作。但选择时不应偏离额定值太远。

　　（5）步进电动机外表允许的最高温度：步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电动机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

　　（6）步进电动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。

　　（7）步进电动机低速时可以正常运转，但若高于一定频率就无法启动，并伴有啸叫声。

　　步进电动机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电动机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

　　（8）四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较低的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍，因而电机发热较大。

　　（9）混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为12～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。

　　（10）供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I 的1.1～1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I 的1.5～2.0倍。

　　（11）当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转 子处于自由状态（脱机状态）。

　　在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。

　　（12）用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向，只需将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可。

　　8、步进电动机驱动器的一些特点：

　　（1）构成步进电动机驱动器系统的专用集成电路：

　　A 脉冲分配器集成电路：如三洋公司的PMM8713（三/四相）、PMM8723（四相）、PMM8714（五相）等。

　　B 包含脉冲分配器和电流斩波的控制器集成电路：如SGS公司的L297（四相）、L6506（四相）等。

　　C 只含功率驱动（或包含电流控制、保护电路）的驱动器集成电路：如日本新电元工业公司的MTD1110（四相斩波驱动）和MTD2001（两相、H桥、斩波驱动）。

　　D 将脉冲分配器、功率驱动、电流控制和保护电路都包括在内的驱动控制器集成电路，如MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。

　　（2）“细分驱动”概述：

　　概念：将“电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通过驱动器精确控制步进电动机的相电流实现的，与电机本身无关。其原理是，让定子通电相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一次降为0（绕组电流波形不再是近似方波，而是N级近似阶梯波），则定子绕组电流所产生的磁场合力，会使转子有N个新的平衡位置（形成N个步距角）。

　　最新技术发展：国内外对细分驱动技术的研究十分活跃，高性能的细分驱动电路，可以细分到上千甚至任意细分。目前已经能够做到通过复杂的计算使细分后的步距角均匀一致，大大提高了步进电动机的脉冲分辨率，减小或消除了震荡、噪声和转矩波动，使步进电动机更具有“类伺服”特性。

　　对实际步距角的作用：在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己对步距角的要求。如果使用细分驱动器，则用户只需在驱动器上改变细分数，就可以大幅度改变实际步距角，步进电机的‘相数’对改变实际步距角的作用几乎可以忽略不计。

　　采用细分技术与步进电动机精度提高的关系：步进电动机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。细分后电机运转时对每一个脉冲的分辨率提高了，但运转精度能否达到或接近脉冲分辨率还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。

　　真正的细分对驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求，成本亦会较高。国内有一些驱动器采用对电机相电流进行“平滑”处理来取代细分，属于“假细分”，“平滑”并不产生微步，会引起电机力矩的下降。真正的细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加。