异步电机／同步电机／步进电机／伺服电机基础

　　异步电机(感应电机)的工作原理是通过定子的旋转磁场在转子中产生感应电流，从而产生电磁转矩，转子中并不直接产生磁场。因此，转子的转速一定是小于同步速的(没有这个差值，即转差率，就没有转子感应电流)，也因此叫做异步电机。

　　而同步电机转子本身产生固定方向的磁场(用永磁铁或直流电流产生)，定子旋转磁场“拖着”转子磁场(转子)转动因此转子的转速一定等于同步速，也因此叫做同步电机。

　　作为电动机时，大部分是用异步机；发电机都是同步机(这是在一般情况下)。同步电动机在稳态和电网频率f1为常数的条件下，其平均转速n恒为同步转速而与负载大小无关。

　　同步电机按运行方式、频率和结构型式分类如下：按运行方式和功率转换方向分为发电机、电动机和补偿机三类；按结构分为旋转电枢式和旋转磁极式两种；旋转磁极式中，按磁极的形状、又可分为凸极式和隐极式两种。

　　同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。 作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。 同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。

　　伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度。

　　交流伺服电机有交流永磁同步电机、永磁无刷直流电机、交流异步电机等。前两者的转子由永磁体构成，所不同之处是它们的供电方式，前者为正弦波，所者为方波。而交流异步电机和普通的异步电机没有什么区别。

　　步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电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。可以通过控制脉冲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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

　　现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

　　永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；

　　反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

　　混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

　　步进电机有两种基本的形式：可变磁阻型和混和型步进电机的一些基本参数：

　　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’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。

　　步进电机的相数：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° 。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步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

　　保持转矩（HOLDING TORQUE）：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电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的步进电机。

　　DETENT TORQUE：是指步进电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，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。

　　步进电机的一些特点：

　　1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

　　2．步进电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，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

　　3．步进电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。

　　4．步进电机低速时可以正常运转但若高于一定速度就无法启动并伴有啸叫声。

　　步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电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）。

　　步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

　　以下专门介绍步进电机

　　1.什么是步进电机?

　　步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；

　　同时您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。

　　2.步进电机分哪几种?

　　步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）

　　永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；

　　反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；

　　混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

　　3.什么是保持转矩（HOLDING TORQUE）?

　　保持转矩（HOLDING TORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电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的步进电机。

　　4.什么是DETENT TORQUE?

　　DETENT TORQUE 是指步进电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，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。

　　5.步进电机精度为多少？是否累积?

　　一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

　　6.步进电机的外表温度允许达到多少?

　　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，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

　　7.为什么步进电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。

　　8.为什么步进电机低速时可以正常运转但若高于一定速度就无法启动并伴有啸叫声?

　　步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电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）。

　　9.如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声?

　　步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：

　　A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；

　　B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法；

　　C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；

　　D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；

　　E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。

　　10.细分驱动器的细分数是否能代表精度?

　　步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），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。比如对于步进角为1.8°的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45°，电机的精度能否达到或接近0.45°，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。

　　11.四相混合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别?

　　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。

　　12.如何确定步进电机驱动器的直流供电电源?

　　A.电压的确定

　　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。

　　B.电流的确定

　　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。

　　13.混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE一般在什么情况下使用?

　　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。

　　14.如果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。