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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流微电071+41朱廷宇毕业设计.精品文档.常州信息职业技术学院学生毕业设计（论文）报告系 别： 电子与电气工程学院 专 业： 微电子技术 班 号： 微 电 071 学 生 姓 名： 朱 廷 宇 学 生 学 号： 0706033141 设计（论文）题目： 步进电机设计 指 导 教 师： 徐 磊 设 计 地 点：常州信息职业技术学院 起 迄 日 期： 2009.6.232009.8.30 毕业设计（论文）任务书专业 微 电 子 技 术 班级 微 电 071 姓名 朱 廷 宇 一、课题名称： 步进电机概述 二、主要技术指标： 步 距 角， 齿 距
2、角， 矩 角 特 性， 失 调 角，最 大 静 转 矩， 最 大 静 转 矩 特 性， 精 度， 响 应 频 率 运 行 频 率，起 动 矩 頻 特 性，运 行 矩 贫 特 性， 慣 频 特 性，单 步 响 应。 稳 速 精 度、 调 速 范 围、 动 态 响 应、 跟 随 精 度 及 定 位 精 度 等 。 三、工作内容和要求： 通过步进电机与无刷直流电动机，伺服电动机的比较和关系。从实质性的电机学观点来分析步进电机的发展过程和主要技术特点。从运行平稳性和调速范围， 定位精度和跟踪精度以及快速性这几个方面来系统的了解步进电机的电学特性 。基于对步进电机的了解作出对其未来技术的展望，以及其主流
3、改进和发展方向的思考。最终达到对步进电机有一个比较全面而系统的认识。 四、主要参考文献：1王宗培.把握运控电机的主流为数字化交流伺服电动机系统国产化做实事。伺服控制,2005(7):36 2王宗培,韩光鲜,程智,程树康。无刷直流电动机方波与正弦波驱动.微电机.2002(6):36 3王宗培,韩光鲜,任雷,程智.步进电机的牵出特性的基本特征.微特电机,2001(1):69 4史敬灼,石静,王宗培.交流伺服电动机的开环步进运行.微特电机,2007(8):2326 学 生（签名） 2009年 6 月 26 日 指 导 教师（签名） 2009年 6 月 26 日 教研室主任（签名） 2009年 6 月
4、 27 日 系 主 任（签名） 2009年 6 月 28 日毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目步进电机概述一、 选题的背景和意义： 步进电机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Step motor 或Stepping motor,Pulse motor,Stepper servo,Stepper等 目前，随着电子技术，控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统的电机分类间的界面越来越模糊。现代高性能运动控制电动机通常认为是：步进电动机、无刷直流电动机和交流伺服电动机。其中步进电动机最早成为适应计算机控制的运动控制电动机，在上世纪60年代有较大的进展，二相混合式步进电动机的专利也是那时提
5、出的，70和80年代步进电动机迅速发展，在计算机外设和办公自动化设备中广泛应用，并迅速推广到很多工业装置，包括数控车床。 80年代以后，无刷直流电动机和交流伺服系统逐步发展完善，推广应用，并成为当今运控电动机的主流。课题研究的主要内容：步进电机与无刷直流电动机，伺服电动机的比较和关系，并用实质性的电机学观点来分析步进电机的发展过程和主要技术特点，从运行平稳性和调速范围， 定位精度和跟踪精度以及快速性这几个方面来分析步进电动机的电学特性，并作出对其现状进行概述和对其未来发展进行展望。二、 主要研究（设计）方法论述：主要研究的方法是从以下几个方面着手：1. 通过步进电机与其同类产品的比较和关系来了
6、解其特点2. 从其运行平稳性和调速范围来概述3. 从其定位精度和跟踪精度的特性来概述4. 从其快速性的特点来了解5. 对其现状进行概述和气未来进行展望四、设计（论文）进度安排：时间（迄止日期）工 作 内 容2008.6.266.28确定课题。2008.6.296.30数据检索,收集国内外最新的相关资料；2008.7.17.3撰写开题报告，结合国内外的研究现状，分析该课题的实际意义；2008.7.48.1撰写论文；2008.8.28.20论文的修改与完善；2008.8.218.25论文的审稿、装订；2008.8.268.28准备答辩。五、指导教师意见： 指导教师签名： 2009 年 7 月 3
7、日六、系部意见： 系主任签名： 2009 年 7 月 4 日目录【摘要】【关键词】1同步电机11 同步电动机612 交流伺服系统的核心基础61. 3 步进电动机的特点62运行平稳性和调速范围2. 1 交流伺服电动机运行平稳性72. 2 步进电动机运行平稳性72. 3 共振与振荡72. 4 步进电动机的相数83 定位精度和跟踪精度3. 1 步进系统定位时的位置误差103. 2 定位精度113. 3 跟踪精度124快速性4. 1 电动机的快速性含义134. 2 气隙有效磁通密度144. 3 实例分析145 现状和展望166 结束语207 答谢词20参考文献21步进电机概述摘要：目前，随着电子技术，
8、控制电路的发展，步进电动机的技术已很成熟，特别适合于小功率开环定位系统，至今还没有能取代它的更适合产品，今后将继续稳步发展和完善化。通过步进电机与无刷直流电动机，伺服电动机的比较，以及从运行平稳性和调速范围， 定位精度和跟踪精度以及快速性这几个方面来分析，对步进电动机作出电学特性的概述，最终进行其现状描述和技术展望。关键词：同步电机，运行平稳性和调速范围，定位精度和跟踪精度，快速性，现状和展望 英文标题Abstract: . At present, with the advent of electronic technology, the development of control circ
9、uits, stepper motor technology has been very mature, and is particularly suited to low-power open-loop positioning system, has yet to replace it more suitable for products, will continue the steady development and improvement of . Through the stepper motor and brushless DC motor, servo motor compari
10、son, as well as stable from the scope and speed, positioning accuracy and tracking accuracy as well as the rapid analysis of several aspects of the stepper motor to make an overview of electrical properties the ultimate description of its status and technical prospects.Key words: Synchronous motor,
11、a smooth running of the scope and speed, positioning accuracy and tracking accuracy, speed, status and outlook0 引言（四号黑体）传统的电机作为机电能量转换装置，电动机是将电能转换成机械能，主要关心它的力能指标，即机电能量转换的效率。 生产技术的发展，除了要求电动机完成机电能量转换的功能，还提出了运动控制方面的要求，控制的目标是角速度和角位移。性能指标主要包括：稳速精度、调速范围、动态响应、跟随精度及定位精度等。现代高性能运动控制电动机通常认为是：步进电动机、无刷直流电动机和交流伺服电
12、动机。其中步进电动机最早成为适应计算机控制的运动控制电动机，在上世纪60年代有较大的进展，二相混合式步进电动机的专利也是那时提出的，70和80年代步进电动机迅速发展，在计算机外设和办公自动化设备中广泛应用，并迅速推广到很多工业装置，包括数控车床。 80年代以后，无刷直流电动机和交流伺服系统逐步发展完善，推广应用，并成为当今运控电动机的主流1。那么它们与步进电动机之间到底是一种什么样的比较和关系呢？实质性的了解需要从电机学的观点来进行分析。1， 同步电动机1.1同步电动机现代的无刷直流和交流伺服电动机，都具有三相永磁同步电动机的典型结构，由位置传感器控制的三相方波电压逆变器供电的，称为无刷直流电
13、动机，由于位置传感器控制逆变器使电动机自同步运行，因而具有类似直流电动机的特性，像直流电动机一样可方便地调速，但是从电机学的观点看，它并不是一台真正的直流电动机。因为从电枢绕组电路看是三相绕组电路；每相绕组的反电势是交流电势，在多数情况下较接近正弦波；绕组电路的外加电压是三相方波，仍是三相交流电压，其中的基波分量仍起主要作用，与外加三相正弦波电压的电动机并没有原则性的区别，所以从电机学原理的观点出发，无刷直流电动机就是一台三相永磁同步电动机，方波驱动的同步电动机2。实际上是方波电压驱动的同步永磁电动机的无刷直流电动机，由于驱动电压和绕组电流中除了基波分量以外，含有丰富的谐波，电磁转矩的脉动分量
14、或交变分量就明显存在，由于转子和负载机械惯量的作用，转子角速度的波动通常不会很明显，在一般运动控制系统是可以接受的。但对要求高的系统来说，无论是速度的稳定性还是调速范围，就不能适应了。1.2交流伺服系统的核心基础采取正弦波电压驱动，就可以构成所说的交流伺服电动机系统，就能解决上述问题。让电动机的反电势为正弦波（ea、eb、ec），在常规电机制造中是常见的要求，有成熟的方法可以达到，在绕组参数没有明显非线性情况下，正弦波电压驱动便可以获得三相对称的正弦波电流（ia、ib、ic），这时电磁功率和电磁转矩理论上为恒定值，没有转矩波动，在r=const情况下，电磁功率pe、电磁转矩te可以通过以下公式
15、求得： pe=eaia+ebib+ecic=const （1）te=pe/r=const （2） 这就是交流伺服系统可以达到很高速度稳定度和调速范围的核心基础。可见交流伺服系统实质上正弦波电压驱动的同步永磁电动机。1.3步进电动机的特点步进电动机则可以是永磁式、磁阻式或混合式（永磁感应子式）同步电动机，在步进驱动方式下供电，所谓步进驱动，从电机学的观点看，只不过是一种顺序逻辑控制电流波形的逆变器，为开环系统。电流波形可以是方波或任意阶梯波，阶梯数很多时可接近正弦波。逆变器的频率由控制脉冲频率决定，可以在频率为零，即定位状态下工作。 以上分析表明，步进与交流伺服系统，同属于同步电动机系统。主要区
16、别在于：步进电动机的主流产品为转子50齿混合式结构，即50对极的感应子式同步电动机，交流伺服电动机则多数为24对极的永磁同步电动机。从电动机的基本原理和结构特点出发，可以确切地分析二种系统的特点、优缺点以及发展的趋向。2， 运行平稳性和调速范围2.1交流伺服电动机运行平稳性近代交流伺服电动机运行平稳性好，特别是低速运行平稳，调速范围广，一般性要求的系统调速比约为1:1000，要求较高的可达1:500010000，甚至可以达到1:100000。宽广的调速范围与运行平稳性紧密相关，它取决于电磁转矩的波动小，这主要靠二点来达到。一是三相对称的正弦波反电势和相绕组电流；二是齿槽定位转矩的消除。2.2步
17、进电动机运行平稳性混合式步进电动机属双开槽结构，齿槽效应的基波用于基本电磁过程，不属于需要消除的范围。齿槽效应的谐波转矩一般也很少用常规电机中常用的斜槽或斜极的方法来消除，而是靠不同极下错开相位来消除。再辅之以恰当地设计齿槽宽度比和定转子不等齿距等方法来消除齿槽效应的主要谐波成分，实践表明齿槽定位转矩也可以控制到很小。 步进电动机反电势波形的正弦性，以及多相对称正弦波电流的获得并不困难，所以具有同样条件保证运行的平稳性，多极是对运行平稳有利的条件，特别是低速运行，因而同样能达到很宽的调速范围。实践也能证明这一点，曾经制作过人造卫星太阳能帆板姿态控制用的步进电动机，对平稳性要求很高，因为即使相当
18、小的干扰力作用于无阻力运行的卫星系统便可能对它的运行产生不利的影响，该步进电动机跟随太阳光的方向转动很慢，24小时转一圈，带着指针测试运转时，肉眼看不出任何不均匀的现象。2.3共振与振荡 讲到运行平稳性，自然会想到共振与振荡现象，其实这是同步电动机的共性问题，包括大型水电站中的水轮发电机，设计时也要避开谐振频率运行。可是人们常常会误认为是步进电动机特有的问题，主要的原因有二点：一是多数步进单元采取阶梯波驱动，电流波形及电磁转矩中含有丰富的谐波；二是多极电动机的自然频率避不开步进电动机宽广的工作频域。2.4步进电动机的相数 另一个相关的问题是步进电动机的相数，从步进电动机工业产品的主流来看，最早
19、发展的是上世纪60年代提出的二相混合式步进电动机的专利，直到现在转子50齿的二相混合式步进电动机仍占产品的绝对多数。1973年提出的五相混合式步进电动机，在当时功率管仅为开关状态工作的驱动器条件下，使步进电动机的性能，特别是运行平稳性、稳定性和工作频域有相当大的提高。从电机学的观点看，五相电动机是以增加电动机绕组相数的办法，改善了电动机的驱动条件。随着步进电动机驱动技术的发展，主要是微步驱动和电流波形控制技术，使得步进电动机的驱动条件获得根本性的改善，提高步进电动机的分辨率及理想的正弦波电流驱动可以方便地实现，实际上和近代交流伺服系统的驱动条件相当，或相似。在这样的背景下，增加绕组相数做成五相
20、电动机就显得多余和没有必要，所以在1993年五相电动机专利到期时，同一家德国公司提出了新的三相混合式步进电动机的专利，并放弃了五相电动机的继续生产，改为生产三相电动机，是很自然的事情。新的三相步进单元性能优于五相单元且较简化，所以完全取代五相电动机只是时间和过程的问题。新的问题是二相步进电动机同样采用新的驱动技术以后，为什么不能取代五相电动机，而要由三相电动机来取代呢？这个问题在步进电动机的研究领域内还没有人解答过，但是实践给人们的感觉是三相电动机的性能有优于二相电动机的地方。有一些表面的解答是认为：二相电动机的双极性驱动器为两个h桥电路，用八个功率开关管，三相电动机用三相桥驱动电路只需六个功
21、率开关管，而且三相功率模块是通用产品，更为方便和价廉。 真正的问题在于二相电动机不是一个完善的对称多相电动机，所以确实会稍逊于三相电动机。一般的认识，二相空间相差90o电角度的绕组，通以相位差90幅值相等的正弦波电流，将产生圆形旋转磁场和恒定的电磁转矩，和三相或更多相系统一样。这样的认识没有错，只是二相系统的时空分布并不对称，不具有循环对称性，图1的示意图可以形象地说明这一点。不具有循环对称性的系统，相绕组间的互感虽然相等，但相互的影响却不一样，系统便不对称了。 a) 五相 b) 四相 c) 三相 d) 二相图1 多相系统时空分布相量示意图通常所说的空间相距90o电角度的二相对称绕组，相绕组的
22、电阻为raa=rbb=r11，相绕组的自感为laa=lbb=l11，相绕组间的互感为lab=lba=-l12，即设互感为负值，l12为它的绝对值。如果在相绕组通过通常所说的二相对称正序电流ia和ib，则在二相绕组内的阻抗压降如图2的相量图所示。a) a相绕组电路 b) b相绕组电路图2 二相正序电流产生的阻抗压降图2的相量图清楚地表明，对称正序电流分量，在二相绕组电路内产生的阻抗压降并不对称，幅值不相等，相位差也不是90电角度。实际上正序阻抗分别为， z1a=(r11-x12)+jx11 z1b=(r11+x12)+jx11 （3）每相绕组自身的阻抗为z11=r11+jx11 (4)很明显有，
23、|z1a|z11|z1b| (5) 以上所述二相绕组电路系统不对称性的存在，很容易在实验中发现和证实。例如用别的电动机拖动二相步进电动机旋转并让二相绕组同时短路时，分别测量二相绕组内的短路电流，可发现它们不一样大，事实上由式（3）可知，a相的短路电流（iak）会比b相的（ibk）大一些。如果单独一相绕组短路，它的短路电流（i11k）的值则处于二者之间。由于二相绕组在空间正交分布，相间的互感主要由不均匀和非线性引起，一般相当小，不特别注意时不易发觉，或误以为是测量和制造误差等引起的，所以在一般情况下不会造成明显的影响，因此二相电动机能成为主流产品广泛应用至今。只是在追求高性能时才会发现这种本质性
24、的缺陷，无法用提高制造精度和其他辅助措施来克服和改进。追求均匀性和对称性应是电机发展的内在规律，从这一角度出发对二相电动机略逊于三相以上的电动机的事实就感到是理所当然。顺便说一句,五相电动机由于转子齿数是相数的倍数，定子冲片设计时需采取“人工错位”技术，使得五相电动机的磁系统也是不能完全均匀和对称。3定位精度和跟踪精度3.1步进系统定位时的位置误差 步进系统定位时的位置误差由二部分组成。一部分是电动机的位置误差，定义在空载情况下测试，由电动机的模具和制造精度决定，通常值为分级，例如35机械角分；另一部分是负载变化引起的失调角的变化，或运动方向改变时失调角的影响。图3可以给出一些量化的概念。 图
25、3 步进电动机的矩角特性图3中给出的是步进电动机的矩角特性，tk为保持力矩或最大静转矩，e.l为负载转矩tl时的失调角，大致值为:e.l=sin-1(tl/tk) （6）通常tl要比tk小得多，设tl/tk=0.5，则由上式得：e.l=sin-1(0.5)=30（电角度） （7）如果是转子50齿的混合式电动机，则对应的机械角度为：m.l=e.l/zr=30/50=0.6（机械角度） （8）多数实际系统在定位情况下往往只有摩擦力负载，一般较小，所以实际上失调角也不大。用机械角度表示的误差，在数控系统中不如以脉冲当量为单位表示来得更清晰。图3清楚地表明，失调角引起的位置误差，包括变更方向在内，极限
26、值为m.l=/2，对应的脉冲当量数为:max=(e.m/e.b)=(/2)/(2/m1)= m1/4 (9)其中：e.b用电角度表示的步距角； m1逻辑通电状态数，通常称为拍数。以二相八状态为例，m1=8，则以上位置误差的极限值为max=2 (10)实际值很容易控制在=1之内。这对数控系统来讲，基本上是最小的误差。以普通的数控线切割机床为例，通常脉冲当量为s=0.001mm，切割工件要求的形位误差则要求不大于0.010.02mm，为脉冲当量的1020倍。可见数控线切割机床的精度主要取决于机械部分，步进数控系统的精度则高出一个数量级。步进电动机自身（空载）的位置误差，与步距角精度相对应，在驱动器
27、电路及功率器件对称的条件下，取决于电动机的制造精度，通常为整步步距角的35%左右。对于工作在指示状态的开环系统有重要的意义，对于如上例所述的机床这类系统则没有什么影响，因为该误差常常小于一个脉冲当量。所以对步进电动机步距角精度的要求事实上主要不是着眼于提高数控系统的精度，而是提高电动机的均匀性从而提高电动机的总体运行性能。3.2定位精度在位置闭环的交流伺服系统中多数情况是电动机轴角位移的半闭环，定位误差与电动机本身的精度或负载失调角都没有关系，只取决于位置传感器的分辨率和精度。以当前市场上通用交流伺服系统为例，用得较多的是2500线的增量型光学编码器，分辨率可以达到每转10000脉冲当量，或分
28、辨率为： (11)电控系统的位置误差为一个脉冲当量。与设计恰当的数控步进电动机系统就定位精度相比较，并没有质的区别。只是对闭环交流伺服系统而言，只要采用高分辨率高精度的角位置传感器，就可以获得更高数量级的定位精度。步进系统由于电动机和驱动方式的特点，可以在较简单的开环方式下获得相当高的定位精度，并不表示它不能组成闭环系统，加上角位置传感器闭环以后，同样可以获得更高的位置精度。早在上世纪80年代初曾研制了达到角秒级精度可用于高精度转台的步进伺服系统，传感器采用的是高精度圆感应同步器。 值得一提的是步进系统定位状态的稳定性（安定性）更好一些，因为步进电动机是定电流驱动，定位状态时绕组电流的值不变，
29、有足够大的保持转矩，再加上多极结构保证了足够大的转矩（对角位移）刚度。交流伺服系统则不一样，定位状态的绕组电流为零，因而保持转矩也为零，只有偏离给定位置后才产生电流及回复转矩，使它不偏离定位位置，可见这种定位状态是一种动态的平衡，没有步进系统静态平衡定位的安定性好。3.3跟踪精度 点位控制的伺服系统主要关心它的定位精度，对轮廓控制的伺服系统则更关心它的跟踪精度，即电动机运动过程的动态误差。对这个问题的定量研究较静态误差复杂得多，因为与运动的速度，运动的方式，以及负载等都有关系。但是对步进系统动态误差的极限值（范围），可以通过它的动稳定区来了解。图4 静稳定区与动稳定区图4中曲线1表示某一通电状
30、态的矩角特性，如果电动机定位在该通电状态，则转子位置应停位在稳定平衡点0。转子若受外力干扰偏离0点，只要处在电弧度范围内，当外力撤消后转子就能在电磁转矩作用下回复原位0点，于是电弧度的区间，就称为静稳定区。如果控制系统发出一个控制脉冲，电动机便改变成下一个通电状态，相应的矩角特性改为曲线2，新的稳定平衡点改为0，在改成新的通电状态时，转子位置只要处在距0点电弧度范围内，便能跟踪新的平衡点0，所以-(-b)e(+b)的区间称为改变通电状态时的动稳定区。步进电动机执行控制程序正常运行没有失步，就表明在运行过程中发出任一个控制脉冲时，电动机转子位置都处在相应的动稳定区内。可见动态误差或跟踪误差的极限
31、值便是动稳定区的边界，如果为以脉冲当量表示的动态误差，则有:（12）二相半步方式运行的步进电动机，m1=8，。相数增加或微步驱动时，m1的值增大，max的数值也增大。事实上步进电动机只有运行在接近牵出的边缘状态时，动态误差才会达到最大值，处在有余量的运行状态时，动态误差会较小。不论怎样，步进系统的动态误差是容易估计和控制的，即使m1增大情况，也只要适当选择脉冲当量与系统要求精度之间的关系，就可保证数控系统满意的跟踪精度。4快速性4.1电动机的快速性含义电动机的快速性有两方面的含义，即快速响应和快速运转，前者要求高的角加速度，后者则与能达到的运行转速相关。步进电动机的主流产品是混合式或感应子式多
32、极数结构，便决定了快速性是它的弱项。电动机能达到的角加速度（max），取决于最大电磁转矩（te.m）与转子惯量（jr）的比值， （13）电动机电磁转矩的一般表达式如下，te=asbgd2l （14）其中： as线负荷，通电电枢绕组沿圆周方向单位长度的安匝数； bg气隙有效磁通密度； d电枢直径； l电枢铁心有效长度（叠厚）。4.2气隙有效磁通密度气隙有效磁通密度（bg），指的是电动机电枢每个极距内交变分量对应的气隙磁通密度的幅值或平均值。在永磁电动机中每极磁通量或磁密是在正最大值到负最大值之间交变，所以气隙磁密的幅值就是交变分量的幅值，即有效气隙磁密。可是在感应子式结构的电动机中，有效磁通是气
33、隙磁通量的调制波，即使调制深度达到100%，气隙磁密可以从最大值变化到零，它的交变分量幅值也只有实际气隙磁密的一半（50%）。实际气隙磁密的幅值，受铁芯磁性材料，主要是齿部饱和的限制而在一定的数值范围内，不会有很大的差别。因此，多极数混合式结构（磁阻式也一样）步进电动机的响应速度不及少极数永磁体结构的交流伺服系统快是毫无疑问的事实。还有一个影响的因素，步进电动机通常采用电流型驱动，不容易用过电流的方法来提高转矩和快速性。 如果不采用磁阻式或混合式结构，好象就没有上述气隙有效磁密低的问题。但这是步进电动机为了分辨率和刚度的原因需要采用多极数，最常见的是50对极，因而决定的结构形式。因为极数很多，
34、极距相当小，往往只有毫米级的情况下，还采用常规的永磁式结构，那末由于气隙极距比（g/）相对增大，极间漏磁增大，使气隙有效磁密显著降低，反而效果更差。早在上世纪40年代，在研究电磁式结构的中频发电机时，就已经确认，在极距减小到一定值时，由于放置励磁绕组空间的限制使气隙磁密降低，还不及感应子式结构有效空间利用率更高，因而发展了一系列感应子式中频发电机。从上世纪50年代开始发展步进电动机时，就主要选择了磁阻式和感应子结构，很显然也是因为小极距时更合理的原因。永磁电动机的极距减小时，不会受到励磁绕组空间的限制，因而合理的极距会比电磁式结构更小一些，它的合理值主要由极间漏磁和放置定子绕组空间限制等因素决
35、定。 总之极距很小的电动机，做成磁阻式或感应子式结构，会比做成同样极距的永磁式结构的有效空间利用率高一些，也更经济和方便。但是与常规极距不很小的永磁电动机相比，就有明显的差距，同样转子体积和惯量情况，能产生的峰值转矩和相应的加速度都显著不及。在文章资料中经常会接触到开关磁阻电动机和双凸极永磁同步电动机，它们是作为新型调速电动机被开发和研究的，从电机学的观点看，它们分别属于磁阻式和感应子式同步电动机，但是并不象步进电动机那样具有多极数和很小极距的特点，因而实际上除了有特殊需要和理由以外，不具备采用这类结构型式的理由。4.3实例分析电动机带一定的负载转矩能达到的运行转速越高则输出的功率越大，在一定
36、脉冲当量和分辨率情况下则表明动作的速度更快。步进电动机的牵出特性表示它的转矩、转速和输出功率的极限范围。图5给出一台步进电动机牵出特性的实例，通过分析可以清楚了解限制步进电动机速度提高的因素。 近代步进电动机采取波形控制的电流型驱动器，在较低频率范围内为恒牵出转矩特性，到达某一临界频率（fk）以后，牵出转矩随频率升高而下降，fk成为牵出特性上重要的特征点，fk的值可以作为步进电动机运行速度的标志3。 例如图5所示是一台57bh250b(3)型典型的二相混合式步进电动机实测的牵出特性，配套的是珠海运控生产的mc-20604型驱动器，实验是在：驱动电压 vdc=60v，相绕组峰值电流ip=3a，半
37、步方式（2细分）情况下运行。图5中可见：fk=4000pps，对应转子转速为nr=10r/s或nr=600r/min，转子角速度为r=210=62.83rad/s。该电动机的基本电参数还有：反电势系数ke=0.5vs/rad；相绕组电阻r=0.71；相绕组电阻l=4.84mh。对应牵出特性上拐点处的电路平衡关系可用图6的相量来表示。 图5 牵出特性实例图6 牵出特征点处的电路平衡相量图实例这里应用的是等值正弦波或基波分量的工程分析方法，实际表明它既简单明了能说明问题的本质，又能满足工程分析的精度要求。该点处在恒转矩的极限点，转矩值还没有下降，表明电流值还没有减小，所以(15)反电势(16)阻抗
38、压降ir=2.120.71=1.51v (17) ix=il=izrrl=2.125062.834.8310-3=32.2v (18)绕组端电压(19)绕组端电压峰值(20) 考虑到线路和功率开关管的电压降，这就是60vdc桥臂电压能提供给绕组的最高电压了。控制脉冲频率(fcp)进一步提高时，eo与fcp成正比增大，在绕组端电压无法继续提高的情况下，阻抗压降（主要是ix）必然要减小才能保持电压平衡关系，考虑到x的值还与fcp成正比增大，所以电流i的值会以与fcp成反比甚至更快一些的速度下降。 以上实例分析，清楚地看出限制临界频率(fk)升高，也就是限制步进电动机运行转速的，首先是电抗压降，即绕
39、组电抗大的因素。标准结构的混合式步进电动机电抗大的根本原因有三条：有效磁通量较小使绕组匝数增多；为了提高磁场调制深度必须做成小气隙；频率与极对数成正比因而相当高。传统结构的同步电动机通常设计成较大的气隙以提高它的过载能力，永磁电动机将永磁体设计在主磁路内时绕组主电抗会更小些。可见运行转速偏低是现有典型结构步进电动机的根本弱点，限制了它应用领域的拓展。5现状和展望步进电动机的技术已很成熟，特别适合于小功率开环定位系统，至今还没有能取代它的更适合产品，今后将继续稳步发展和完善化。在功率稍大和要求高响应高速度的系统，则更多地让位给交流伺服系统。这是对步进电动机相当普遍的认识和看法。作者则认为不一定完
40、全是这样，有可能会发展出高功率密度和响应更快的新系列，首先是步进系统有很多优点，既经济又简单方便，即使在交流伺服系统不断发展和推广的情况下，也相当让人怀念，这就是需要和市场，是促进技术和产品发展的最重要的动力。当然还不够，事物发展还有它内在的客观规律性，也就是可行性。 步进电动机快速性不足的根源是多极感应子式结构。因此采用永磁式（pm）结构而不是永磁感应子式（hb）结构，这是相当自然地首先会想到的。低性能爪极式步进电动机不属于这里讨论的范围，它是追求低成本而不是高性能的产物。标准结构的永磁步进电动机产品也是存在的，一般步距角较大(7.5或更大)，应用在特殊需要的场合而未成为主流产品。标准的交流
41、伺服电动机配以适当的步进驱动器，就是永磁步进电动机系统，单就高速性和功率密度而言无疑是提高很多，但是由于极数少失去了高保持转矩刚度和高的自然角分辨率的特性，也就丢失了许多通常认为步进电动机应具有的优势。因此不如说是交流伺服电动机的步进运行或应用4，真正意义上的新系列的目标，不会就这么容易地就达到。真正意义上的永磁步进电动机系列产品实际上是存在的，这就是escap的薄型磁片转子永磁步进电动机系列产品，为了说清楚它的基本特点和性能，可选其中某一具体实例，例如p530-258-07型永磁步进电动机。基本技术数据：相数m=2；步距角b=3.6（整步）；额定相电流in=3.7a；相电阻 r=0.3；相电
42、感 l=1.0；保持转矩 tk=0.21nm （二相同时通in）；转子惯量 jr=1210-7kgm2。对进口样机和自制样机进行试验，测得的性能完全一致，测试条件为：功效级电压v=75v，恒定相电流i=3.7a。简要测定结果:空载启动频率（fto）：1) 整步b=3.6，fto=1.6kpps； 2) 半步b=1.8，fto=3.2kpps； 3) 四细分b=0.9，fto=6.0kpps。牵出转矩（tpull-out）特性： 1) 整步tpull-out=0.140.12nm,fk=4.0kpps； 2) 半步tpull-out=0.120.10nm,fk=8.0kpps。 以上数据表明，电动机的空载启动转速为每秒16转（16r/s）；牵出特性恒转矩临界点对应的转速为每分钟2400转（2400r/min）。二者都明显高于现有的混合式步进电动机系统，即在响应速度和运转速度方面有相当大的提高。它的极对数为p=25，为标准混合式电动机p=50的一半，虽然有一些差别，但基本保持了多极结构的基本特点和优势，使得这种电动机产品生存至今已有20多年。但与主流产品相比则微不足道，以致较少为人们所知道，作者最早看到这种电动机是1986年在日本小电机会议展会上，以后也仅在国内进口的某种纺织机器上见到过一种应用实例。没有广泛应用和发展一定有它