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步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。作為電力人對步進電機的也不能僅限于認識而已，應該深入了解它的結構、基本原理以及應用，接下來小七將從三個方面帶大家全面認識步進電機。

PART1.

什么是步進電機

步進電機是一種直接將電脈沖轉化為機械運動的機電裝置，通過控制施加在電機線圈上的電脈沖順序、頻率和數量，可以實現對步進電機的轉向、速度和旋轉角度的控制。在不借助帶位置感應的閉環反饋控制系統的情況下、使用步進電機與其配套的驅動器共同組成的控制簡便、低成本的開環控制系統，就可以實現精確的位置和速度控制。

基本結構和工作原理

基本結構：

工作原理：

步進電機驅動器根據外來的控制脈沖和方向信號，通過其內部的邏輯電路，控制步進電機的繞組以一定的時序正向或反向通電，使得電機正向/反向旋轉，或者鎖定。

以1.8度兩相步進電機為例：當兩相繞組都通電勵磁時，電機輸出軸將靜止并鎖定位置。在額定電流下使電機保持鎖定的最大力矩為保持力矩。如果其中一相繞組的電流發生了變向，則電機將順著一個既定方向旋轉一步（ 1.8度）。

同理，如果是另外一項繞組的電流發生了變向，則電機將順著與前者相反的方向旋轉一步（ 1.8度）。當通過線圈繞組的電流按順序依次變向勵磁時，則電機會順著既定的方向實現連續旋轉步進，運行精度非常高。對于1.8度兩相步進電機旋轉一周需200步。

兩相步進電機有兩種繞組形式：雙極性和單極性。雙極性電機每相上只有一個繞組線圈，電機連續旋轉時電流要在同一線圈內依次變向勵磁，驅動電路設計上需要八個電子開關進行順序切換。

單極性電機每相上有兩個極性相反的繞組線圈，電機連續旋轉時只要交替對同一相上的兩個繞組線圈進行通電勵磁。驅動電路設計上只需要四個電子開關。在雙極性驅動模式下，因為每相的繞組線圈為100%勵磁，所以雙極性驅動模式下電機的輸出力矩比單極性驅動模式下提高了約40%。

PART2.

負載

A. 力矩負載 (Tf)

Tf = G * r

G：負載重量

r：半徑

B. 慣量負載 (TJ)

TJ = J * dw/dtJ = M * (R12+R22) / 2 (Kg * cm)

M: 負載質量

R1: 外圈半徑

R2: 內圈半徑

dω/dt: 角加速度

速度-力矩曲線

速度-力矩曲線是步進電機輸出特性的重要表現形式。

A. 工作頻率點

電機在某一點的轉速值。

n = q * Hz / (360 * D)

n: 轉/秒

Hz: 頻率值

D: 驅動電路細分值

q: 步距角

例如：距角1.8°的步進電機，在 1/2 細分驅動方式下(即每步 0.9°) ，工作頻率 500Hz 時的轉速為1.25r/s.

B. 自啟動區域

步進電機可以直接啟動和停止的區域。

C. 連續運行區域

在該區域內，電機無法直接啟動或停止。電機在該區域內運行必須先經過自啟動區域，然后經過加速達到該工作區域運行。同理，電機在該區域內也無法直接制動，否則容易造成電機失步，必須先經減速到達自啟動區域內再制動。

D. 最高啟動頻率

電機空載狀態下，保證電機不丟步運行的最大脈沖頻率。

E. 最高運行頻率

空載情況下，已勵磁電機運行而不丟步的最高脈沖頻率。

F. 啟動力矩/牽入力矩

滿足步進馬達在一定脈沖頻率下啟動并開始運行，不失步的最大負載力矩。

G. 運行力矩/牽出力矩

滿足步進馬達在一定脈沖頻率下穩定運行，不失步的最大負載力矩。

加速/減速運動控制

當電機運行頻率點在速度-力矩曲線的連續運行區域內時，如何縮短電機啟動或停止時的加速或減速時間，使電機更長時間地運行在最佳速度狀態，從而提高電機的有效運行時間是非常關鍵的。

如下圖所示，步進電機的動態力矩特性曲線，低速運行時曲線為水平直線狀態；高速運行時，由于受到電感的影響，曲線發生了指數下降。

A. 低轉速狀態下的直線加速運行

已知電機負載為TL，假設想從F0 在最短時間 (t r)內加速到F1，如何來計算最短時間 t r ?

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