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深圳市東么川伺服控制技術有限公司
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干貨——步進電機的三種類型詳細介紹
發(fā)布時間：2020-12-05 07:53:24
重視控制的電機
一般來說旋轉是電機最重要的功能，而停轉相對不那么重要。前面介紹的直流電機和之后將要介紹的交流電機，持續(xù)旋轉是它們的主要功能， 將停止作為一個可控制功能來實現(xiàn)并不容易。需要快速切換旋轉 / 停止狀態(tài)的伺服電 機，多采用閉環(huán)控制來實現(xiàn)電流控制、轉速控制和位置控制等。實現(xiàn)這種閉環(huán)控制功 能，除了需要各種用于反饋的傳感器，控制系統(tǒng)的設計和調整也是必不可少的，這會 使整個系統(tǒng)變得更復雜。相對的，步進電機通過非常簡單的操作就可以達成一定角度（步進）旋轉 / 停止 這個目標。它有時也被稱為脈沖電機。無刷電機根據轉子永磁體的旋轉來同步順序切換定子線圈的相電流，以達到連續(xù) 旋轉的目的。如果沒有這種同步切換機制，那么轉子會隨著線圈中的電流旋轉一個角 度后直接停止。步進電機利用了這種性質，每次步進一定的旋轉角度。步進電機根據輸入脈沖每次旋轉一定角度（步進角）。旋轉角度與輸入的脈沖數成比例，轉速則與脈沖的頻率成比例。通過控制輸入信號的脈沖數和頻率，可以直接 控制旋轉角度和轉速。不需要反饋信號傳感器，通過簡單的開環(huán)控制即可控制電機旋 轉，所以這種電機的控制系統(tǒng)非常容易構建。驅動步進電機時，需要一個驅動電路來為每個輸入脈沖信號切換電機的勵磁 線圈。步進電機的特征如下：·需要一個驅動電路來針對每個輸入脈沖信號切換電機各相線圈來勵磁 ·只根據輸入脈沖旋轉一定的角度（步進角），因此電機的旋轉角度與輸入的脈 沖數有關，轉速與脈沖頻率有關 ·脈沖頻率過高或負載轉矩過大時，可能會出現(xiàn)失步。
分 類
根據電磁學結構，步進電機大致分為以下三種類型。
·VR（Variable Reluctance，可變磁阻）式電機
·PM（Permanent Magnet，永磁）式電機
·HB（Hybrid Type，混合）式電機
VR 式
這類電機的轉子和定子都具有凸極結構。凸極結構會導致氣隙磁阻發(fā)生變化，從 而產生轉矩。因此，它被稱為可變磁阻式電機。這類電機不使用永磁體。這是一種相當有歷史的古老的結構，現(xiàn)在正在逐漸退出歷史舞臺，只在一些特殊 場合還有應用，如需要比較大的轉矩等。可以說，不使用永磁體是它的一個特點。
PM 式
如圖1所示。
圖1
這類電機被稱為永磁式電機，因為其轉子使用了多極磁化的永磁體。它的典型結構如下。線圈骨架包圍在轉子外面。從軸向看，線圈從上到下都 被沖壓金屬制成的軛覆蓋。在轉子外的線圈內側，上下交替地設置了梳齒狀磁極。當電流通過線圈時，上齒和下齒之間就會產生磁場。梳齒按照 S 極、N 極……交 替排列。上述是單相的情況。根據相數，在適當的相位差處上下重合連接，就制成了這種 電機的定子。最后，在這樣的定子的中心孔中插入長橢圓形的多極永磁體轉子。由于磁極梳齒的形狀酷似動物的爪子（鳥獸的爪、蟹和蝦的螯等），因此也被稱 為爪極。磁軛和磁極部分可以通過沖壓制成，線圈可以纏繞在繞線管上，制造成本較低。低成本電機的需求量往往很大，大多數永磁式電機都是低成本電機。這種類型的電機， 兩相最為常見，三相也不少見。這種電機的步進角度相對較大，兩相的常見角度為 15°和 7.5°，而三相的以 3.75°更常見。
HB 式
如圖 2 所示。
圖2
要減小 VR 或 PM 式步進電機的步進角，就要增加轉子和定子 的齒數和極數。而增加 VR 電機的定子齒數無疑會使線圈變復雜。此外，在爪極電機 中，轉子的磁極數和定子的齒數有一定限度。
HB 式電機不通過磁化實現(xiàn)多極化， 而是將永磁體沿軸向方向磁化為 N 極、S 極， 在其外側夾上外周有小齒的轉子鐵心，制成 N 極、S 極沿軸向交替排列的多極轉子。定子則在不增加線圈磁極數量的情況下，在磁極靴部設置小齒。通過轉子和定子上的 這些齒實現(xiàn)高分辨率、高步進角精度。可以說它是 VR 和 PM 式的組 合結構，因此被稱為復合式。圖 3 是它的轉子和定子的外觀。
圖3
磁極小齒的精確加工，一般采用硅鋼片疊層工藝。HB 式步進電機適用于要求高分辨率和高精度的應用。其兩相的步進角標準值為 1.8°。另外，還有兩相 0.9°，三相 0.6°、1.2°、3.75°，五相 0.72°等規(guī)格。
RM 式
這種步進電機，在結構上用圓柱形磁體代替 HB 式步進電機的轉子。磁體上設 置有與 HB 式轉子齒數相當的極對數（S 和 N 極）的磁極。雖然它采用永磁體作為轉 子，但也可以被認為是一種 PM 式電機。為了區(qū)分它與普通的 PM 式電機，一般稱其 為 RM（Ring-permanent Magnet，環(huán)形永磁）[7] 式電機。因為轉子上沒有齒，氣隙的磁通分布接近于正弦波，因此它具有振動小、噪聲低 的優(yōu)點，在微步驅動時的步進角精度也很高。但是，由于難以形成 高分辨率的交互磁極，所以它的基本步進角大于 HB 式電機。現(xiàn)在，具有 32 極（極對數 16）的轉子，基本步進角為 3.75°的 RM 式三相步進 電機已經商品化了。它的外觀與 HB 式電機幾乎完全相同。
實際應用中的注意事項
通過控制輸入信號的脈沖數和頻率可以直接控制旋轉角度和轉速。不需要反饋信 號傳感器，可以直接進行開環(huán)控制。出于這個特點，利用它構建控制系統(tǒng)非常容易， 因此它被廣泛用于簡單的位置控制。特別是使用微控制器的各種系統(tǒng)，如移動機器人，只需將微控制器產生的脈沖指 令輸入到電機驅動部分，就可以輕松地控制電機移動目標距離。
一般來說旋轉是電機最重要的功能，而停轉相對不那么重要。前面介紹的直流電機和之后將要介紹的交流電機，持續(xù)旋轉是它們的主要功能， 將停止作為一個可控制功能來實現(xiàn)并不容易。需要快速切換旋轉 / 停止狀態(tài)的伺服電 機，多采用閉環(huán)控制來實現(xiàn)電流控制、轉速控制和位置控制等。實現(xiàn)這種閉環(huán)控制功 能，除了需要各種用于反饋的傳感器，控制系統(tǒng)的設計和調整也是必不可少的，這會 使整個系統(tǒng)變得更復雜。相對的，步進電機通過非常簡單的操作就可以達成一定角度（步進）旋轉 / 停止 這個目標。它有時也被稱為脈沖電機。無刷電機根據轉子永磁體的旋轉來同步順序切換定子線圈的相電流，以達到連續(xù) 旋轉的目的。如果沒有這種同步切換機制，那么轉子會隨著線圈中的電流旋轉一個角 度后直接停止。步進電機利用了這種性質，每次步進一定的旋轉角度。步進電機根據輸入脈沖每次旋轉一定角度（步進角）。旋轉角度與輸入的脈沖數成比例，轉速則與脈沖的頻率成比例。通過控制輸入信號的脈沖數和頻率，可以直接 控制旋轉角度和轉速。不需要反饋信號傳感器，通過簡單的開環(huán)控制即可控制電機旋 轉，所以這種電機的控制系統(tǒng)非常容易構建。驅動步進電機時，需要一個驅動電路來為每個輸入脈沖信號切換電機的勵磁 線圈。步進電機的特征如下：·需要一個驅動電路來針對每個輸入脈沖信號切換電機各相線圈來勵磁 ·只根據輸入脈沖旋轉一定的角度（步進角），因此電機的旋轉角度與輸入的脈 沖數有關，轉速與脈沖頻率有關 ·脈沖頻率過高或負載轉矩過大時，可能會出現(xiàn)失步。
分 類
根據電磁學結構，步進電機大致分為以下三種類型。
·VR（Variable Reluctance，可變磁阻）式電機
·PM（Permanent Magnet，永磁）式電機
·HB（Hybrid Type，混合）式電機
VR 式
這類電機的轉子和定子都具有凸極結構。凸極結構會導致氣隙磁阻發(fā)生變化，從 而產生轉矩。因此，它被稱為可變磁阻式電機。這類電機不使用永磁體。這是一種相當有歷史的古老的結構，現(xiàn)在正在逐漸退出歷史舞臺，只在一些特殊 場合還有應用，如需要比較大的轉矩等。可以說，不使用永磁體是它的一個特點。
PM 式
如圖1所示。
圖1
這類電機被稱為永磁式電機，因為其轉子使用了多極磁化的永磁體。它的典型結構如下。線圈骨架包圍在轉子外面。從軸向看，線圈從上到下都 被沖壓金屬制成的軛覆蓋。在轉子外的線圈內側，上下交替地設置了梳齒狀磁極。當電流通過線圈時，上齒和下齒之間就會產生磁場。梳齒按照 S 極、N 極……交 替排列。上述是單相的情況。根據相數，在適當的相位差處上下重合連接，就制成了這種 電機的定子。最后，在這樣的定子的中心孔中插入長橢圓形的多極永磁體轉子。由于磁極梳齒的形狀酷似動物的爪子（鳥獸的爪、蟹和蝦的螯等），因此也被稱 為爪極。磁軛和磁極部分可以通過沖壓制成，線圈可以纏繞在繞線管上，制造成本較低。低成本電機的需求量往往很大，大多數永磁式電機都是低成本電機。這種類型的電機， 兩相最為常見，三相也不少見。這種電機的步進角度相對較大，兩相的常見角度為 15°和 7.5°，而三相的以 3.75°更常見。
HB 式
如圖 2 所示。
圖2
要減小 VR 或 PM 式步進電機的步進角，就要增加轉子和定子 的齒數和極數。而增加 VR 電機的定子齒數無疑會使線圈變復雜。此外，在爪極電機 中，轉子的磁極數和定子的齒數有一定限度。
HB 式電機不通過磁化實現(xiàn)多極化， 而是將永磁體沿軸向方向磁化為 N 極、S 極， 在其外側夾上外周有小齒的轉子鐵心，制成 N 極、S 極沿軸向交替排列的多極轉子。定子則在不增加線圈磁極數量的情況下，在磁極靴部設置小齒。通過轉子和定子上的 這些齒實現(xiàn)高分辨率、高步進角精度。可以說它是 VR 和 PM 式的組 合結構，因此被稱為復合式。圖 3 是它的轉子和定子的外觀。
圖3
磁極小齒的精確加工，一般采用硅鋼片疊層工藝。HB 式步進電機適用于要求高分辨率和高精度的應用。其兩相的步進角標準值為 1.8°。另外，還有兩相 0.9°，三相 0.6°、1.2°、3.75°，五相 0.72°等規(guī)格。
RM 式
這種步進電機，在結構上用圓柱形磁體代替 HB 式步進電機的轉子。磁體上設 置有與 HB 式轉子齒數相當的極對數（S 和 N 極）的磁極。雖然它采用永磁體作為轉 子，但也可以被認為是一種 PM 式電機。為了區(qū)分它與普通的 PM 式電機，一般稱其 為 RM（Ring-permanent Magnet，環(huán)形永磁）[7] 式電機。因為轉子上沒有齒，氣隙的磁通分布接近于正弦波，因此它具有振動小、噪聲低 的優(yōu)點，在微步驅動時的步進角精度也很高。但是，由于難以形成 高分辨率的交互磁極，所以它的基本步進角大于 HB 式電機。現(xiàn)在，具有 32 極（極對數 16）的轉子，基本步進角為 3.75°的 RM 式三相步進 電機已經商品化了。它的外觀與 HB 式電機幾乎完全相同。
實際應用中的注意事項
通過控制輸入信號的脈沖數和頻率可以直接控制旋轉角度和轉速。不需要反饋信 號傳感器，可以直接進行開環(huán)控制。出于這個特點，利用它構建控制系統(tǒng)非常容易， 因此它被廣泛用于簡單的位置控制。特別是使用微控制器的各種系統(tǒng)，如移動機器人，只需將微控制器產生的脈沖指 令輸入到電機驅動部分，就可以輕松地控制電機移動目標距離。
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