步進電機的種類、結構及工作原理
步進式伺服驅動系統是典型的開環控制系統。在此系統中，執行元件是步進電機。它受驅動控制線路的控制，將代表進給脈衝的電平訊號直接變換為具有一定方向、大小和速度的機械轉角位移，並通過齒輪和絲槓帶動工作台移動。
由於該系統沒有反饋檢測環節，它的精度較差，速度也受到步進電機效能的限制。但它的結構和控制簡單、容易調整，故在速度和精度要求不太高的場合具有一定的使用價值。
1.步進電機的種類
步進電機的分類方式很多，常見的分類方式有按產生力矩的原理、按輸出力矩的大小以及按定子和轉子的數量進行分類等。根據不同的分類方式，可將步進電機分為多種型別，如表5-1所示。
表5-1 步進電機的分類
2.步進電機的結構
目前，我國使用的步進電機多為反應式步進電機。在反應式步進電機中，有軸向分相和徑向分相兩種，如表5--1所述。
圖5--2是一典型的單定子、徑向分相、反應式伺服步進電機的結構原理圖。它與普通電機一樣，分為定子和轉子兩部分，其中定子又分為定子鐵心和定子繞組。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成，其形狀如圖中所示。
定子繞組是繞置在定子鐵心6個均勻分布的齒上的線圈，在直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯在一起，構成一相控制繞組。圖5--2所示的步進電機可構成三相控制繞組，故也稱三相步進電機。若任一相繞組通電，便形成一組定子磁極，其方向即圖中所示的ns極。
在定子的每個磁極上，即定子鐵心上的每個齒上又開了5個小齒，齒槽等寬，齒間夾角為9°，轉子上沒有繞組，只有均勻分布的40個小齒，齒槽也是等寬的，齒間夾角也是9°，與磁極上的小齒一致。此外，三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯開1/3齒距，如圖5--3所示。當a相磁極上的小齒與轉子上的小齒對齊時，b相磁極上的齒剛好超前(或滯後)轉子齒1/3齒距角，c相磁極齒超前(或滯後)轉子齒2/3齒距角。
圖5-2 單定子徑向分相反應式伺服步進電機結構原理圖
圖5-3 步進電機的齒距
圖5--4是乙個五定子、軸向分相、反應式伺服步進電機的結構原理圖。從圖中可以看出，步進電機的定子和轉子在軸向分為五段，每一段都形成獨立的一相定子鐵心、定子繞組和轉子，圖5--5所示的是其中的一段。各段定子鐵心形如內齒輪，由矽鋼片疊成。
轉子形如外齒輪，也由矽鋼片製成。各段定子上的齒在圓周方向均勻分布，彼此之間錯開1/5齒距，其轉子齒彼此不錯位。當設定在定子鐵心環形槽內的定子繞組通電時，形成一相環形繞組，構成圖中所示的磁力線。
除上面介紹的兩種形式的反應式步進電機之外，常見的步進電機還有永磁式步進電機和永磁反應式步進電機，它們的結構雖不相同，但工作原理相同。
3.步進電機的工作原理
步進電機的工作原理實際上是電磁鐵的作用原理。圖5--6是一種最簡單的反應式步進電機，下面以它為例來說明步進電機的工作原理。
圖5--6(a)中，當a相繞組通以直流電流時，根據電磁學原理，便會在aa方向上產生一磁場，在磁場電磁力的作用下，吸引轉子，使轉子的齒與定子aa磁極上的齒對齊。若a相斷電，b相通電，這時新的磁場其電磁力又吸引轉子的兩極與bb磁極齒對齊，轉子沿順時針轉過60°。通常，步進電機繞組的通斷電狀態每改變一次，其轉子轉過的角度α稱為步距角。
因此，圖5--6(a)所示步進電機的步距角α等於60°。如果控制線路不停地按a→b→c→a…的順序控制步進電機繞組的通斷電，步進電機的轉子便不停地順時針轉動。若通電順序改為a→c→b→a…，同理，步進電機的轉子將逆時針不停地轉動。
圖5-4 五定子徑向分相反應式伺服步進電機結構原理圖
圖5-5 一段定子、轉子及磁迴路
上面所述的這種通電方式稱為三相三拍。還有一種三相六拍的通電方式，它的通電順序是：順時針為a → ab → b → bc → c → ca → a … ；逆時針為a → ac → c→ cb → b → ba →a…。
若以三相六拍通電方式工作，當a相通電轉為a和b同時通電時，轉子的磁極將同時受到a相繞組產生的磁場和b相繞組產生的磁場的共同吸引，轉子的磁極只好停在a和b兩相磁極之間，這時它的步距角α等於30°。當由a和b兩相同時通電轉為b相通電時，轉子磁極再沿順時針旋轉30°，與b相磁極對齊。其餘依此類推。
採用三相六拍通電方式，可使步距角α縮小一半。
圖5-6 步進電機工作原理圖
圖5--6(b)中的步進電機，定子仍是a ，b ，c三相，每相兩極，但轉子不是兩個磁極而是四個。當a相通電時，是1和3極與a相的兩極對齊，很明顯，當a相斷電、b相通電時，2和4極將與b相兩極對齊。這樣，在三相三拍的通電方式中，步距角α等於30°，在三相六拍通電方式中，步距角α則為15°。
綜上所述，可以得到如下結論：
(1) 步進電機定子繞組的通電狀態每改變一次，它的轉子便轉過乙個確定的角度，即步進電機的步距角α；
(2) 改變步進電機定子繞組的通電順序，轉子的旋轉方向隨之改變；
(3) 步進電機定子繞組通電狀態的改變速度越快，其轉子旋轉的速度越快，即通電狀態的變化頻率越高，轉子的轉速越高；
(4) 步進電機步距角α與定子繞組的相數m、轉子的齒數z、通電方式k有關，可用下式表示：
(5-1)
式中m相m拍時，k=1；m相2m拍時，k=2；依此類推。
對於圖5--2所示的單定子、徑向分相、反應式伺服步進電機，當它以三相三拍通電方式工作時，其步距角為
若按三相六拍通電方式工作，則步距角為
4.步進電機的主要特性
(1) 步距角。步進電機的步距角是反映步進電機定子繞組的通電狀態每改變一次，轉子轉過的角度。它是決定步進伺服系統脈衝當量的重要引數。
數控工具機中常見的反應式步進電機的步距角一般為 。步距角越小，數控工具機的控制精度越高。
(2) 矩角特性、最大靜態轉矩mjmax和啟動轉矩mq。矩角特性是步進電機的乙個重要特性，它是指步進電機產生的靜態轉矩與失調角的變化規律。
(3) 啟動頻率fq。空載時，步進電機由靜止突然啟動，並進入不丟步的正常執行所允許的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率。若啟動時頻率大於突跳頻率，步進電機就不能正常啟動。
空載啟動時，步進電機定子繞組通電狀態變化的頻率不能高於該突跳頻率。
(4) 連續執行的最高工作頻率fmax。步進電機連續執行時，它所能接受的，即保證不丟步執行的極限頻率，稱為最高工作頻率。它是決定定子繞組通電狀態最高變化頻率的引數，它決定了步進電機的最高轉速。
(5)加減速特性。步進電機的加減速特性是描述步進電機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態的變化頻率與時間的關係。當要求步進電機啟動到大於突跳頻率的工作頻率時，變化速度必須逐漸上公升；同樣，從最高工作頻率或高於突跳頻率的工作頻率停止時，變化速度必須逐漸下降。
逐漸上公升和下降的加速時間、減速時間不能過小，否則會出現失步或超步。我們用加速時間常數ta和減速時間常數td來描述步進電機的公升速和降速特性，如圖5-8所示。
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