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■ 步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)線
混合式步進(jìn)電機(jī)
鳴志的單極性和雙極性混合式步進(jìn)電機(jī)有：標(biāo)準(zhǔn)混合式步進(jìn)電機(jī)、高精度混合式步進(jìn)電機(jī)、大力矩混合式步進(jìn)電機(jī)、高精度混合式步進(jìn)電機(jī)以及平滑型混合式步進(jìn)電機(jī)。
永磁式步進(jìn)電機(jī)
相比混合式步進(jìn)電機(jī)而言, 永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和體積相對較小。對于部分控制精度要求不是很高，同時輸出力矩又較小的應(yīng)用場合，選用永磁式步進(jìn)電機(jī)是成本控制的明智選擇。
步進(jìn)伺服電機(jī)（閉環(huán)步進(jìn)）
步進(jìn)伺服是步進(jìn)電機(jī)領(lǐng)域一個創(chuàng)新的革命，在步進(jìn)電機(jī)中融入伺服控制技術(shù)，創(chuàng)造了一個性能顯著、功能全面的特色產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于自動化控制各領(lǐng)域。
AM系列混合式步進(jìn)電機(jī)
AM系列混合式步進(jìn)電機(jī)主要運(yùn)用在工業(yè)自動化行業(yè)，與鳴志步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器性能匹配，是搭配鳴志步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器使用的推薦步進(jìn)電機(jī)型號。
AW系列步進(jìn)電機(jī)（IP65防護(hù)型）
AW 系列電機(jī)外殼采用噴塑材料，使其表面具有優(yōu)秀的防水性能和堅固耐磨的結(jié)構(gòu)特性。電機(jī)設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，采用標(biāo)準(zhǔn)航空接頭，使連接更為可靠。
步進(jìn)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件，通過控制施加在電機(jī)線圈上的電脈沖順序、頻率和數(shù)量，可以實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、速度和旋轉(zhuǎn)角度的控制。配合以直線運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)或齒輪箱裝置，更可以實現(xiàn)更加復(fù)雜、精密的線性運(yùn)動控制要求。步進(jìn)電機(jī)一般由前后端蓋、軸承、中心軸、轉(zhuǎn)子鐵芯、定子鐵芯、定子組件、波紋墊圈、螺釘?shù)炔糠謽?gòu)成，步進(jìn)電機(jī)也叫步進(jìn)器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，是由纏繞在電機(jī)定子齒槽上的線圈驅(qū)動的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機(jī)中，繞在定子齒槽上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。
步進(jìn)電機(jī)基本結(jié)構(gòu) 步進(jìn)電機(jī)工作原理
| 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器根據(jù)外來的控制脈沖和方向信號，通過其內(nèi)部的邏輯電路，控制步進(jìn)電機(jī)的繞組以一定的時序正向或反向通電，使得電機(jī)正向/反向旋轉(zhuǎn)，或者鎖定。 以1.8度兩相步進(jìn)電機(jī)為例：當(dāng)兩相繞組都通電勵磁時，電機(jī)輸出軸將靜止并鎖定位置。在額定電流下使電機(jī)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(fā)生了變向，則電機(jī)將順著一個既定方向旋轉(zhuǎn)一步（1.8度）。同理，如果是另外一項繞 組的電流發(fā)生了變向，則電機(jī)將順著與前者相反的方向旋轉(zhuǎn)一步（1.8度）。當(dāng)通過線圈繞組的電流按順序依次變向勵磁時，則電 機(jī)會順著既定的方向?qū)崿F(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)，運(yùn)行精度非常高。對于 1.8度兩相步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周需200步。 兩相步進(jìn)電機(jī)有兩種繞組形式：雙極性和單極性。雙極性電機(jī)每相上只有一個繞組線圈，電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)時電流要在 同一線圈內(nèi)依次變向勵磁，驅(qū)動電路設(shè)計上需要八個電子開關(guān)進(jìn) 行順序切換。 單極性電機(jī)每相上有兩個極性相反的繞組線圈，電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)時只要交替對同一相上的兩個繞組線圈進(jìn)行通電勵磁。驅(qū)動電路設(shè)計上只需要四個電子開關(guān)。在雙極性驅(qū)動模式下，因為每相的繞組線圈為100%勵磁，所以雙極性驅(qū)動模式下電機(jī)的輸出力矩比單極性驅(qū)動模式下提高了約40%。 |  |
| 2相（雙極性）步進(jìn)電機(jī) | |
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| 2相（單極性）步進(jìn)電機(jī) |
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路
步進(jìn)電機(jī)的性能在很大程度上是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路決定的。以下是步進(jìn)電機(jī)與Adafruit Motor Shield驅(qū)動電路（用于Arduino）的關(guān)鍵點，同時還將探討步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的一些普遍考慮因素：• 步進(jìn)電機(jī)與Adafruit Motor Shield：
1）Adafruit Motor Shield是一個驅(qū)動和步進(jìn)電機(jī)的便捷套件。2）它采用了TB6612 MOSFET驅(qū)動器，每通道電流能力為1.2A（峰值可達(dá)到3A，每次約20ms）。
3）套件支持驅(qū)動多達(dá)4個DC電動機(jī)或2個步進(jìn)電動機(jī)，同時優(yōu)化了電機(jī)壓降性能、增加了反激二極管，并采用了專用的PWM驅(qū)動芯片來管理接口上的所有電動機(jī)。
• 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的關(guān)鍵點：
1）快速反轉(zhuǎn)定子極：為了擴(kuò)展扭矩曲線的速度范圍，需要更加快速地反轉(zhuǎn)定子極，此操作受限于繞組電感。2）增加驅(qū)動電壓：為了克服電感帶來的限制并快速切換繞組，需要增加驅(qū)動電壓。
3）限制電流：高電壓可能產(chǎn)生更高的電流，因此需要限制電流以防止損壞電機(jī)或驅(qū)動電路。
4）反電動勢（back-EMF）：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，會產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成比例的正弦電壓（即反電動勢）。此反向電壓將削弱正向電壓，進(jìn)而影響電流的動態(tài)變化。
• 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的考慮因素：
1）電感：電感影響定子極的切換速度，從而可能影響電機(jī)的最高速度。2）電阻：電機(jī)的直流電阻和電感一起影響電機(jī)的動態(tài)特性。
3）驅(qū)動方式：步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式（如單四拍、雙四拍、八拍等）影響其步距角和旋轉(zhuǎn)特性。
4）散熱：步進(jìn)電機(jī)由于追求定位精度和力矩輸出，容易發(fā)熱，設(shè)計時需考慮散熱問題。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式
• L/R驅(qū)動電路
L/R驅(qū)動電路也被稱為恒壓驅(qū)動電路，其工作原理是在每個繞組上施加恒定的正或負(fù)電壓來控制步進(jìn)電機(jī)的位置。然而，需要明確的是，步進(jìn)電機(jī)軸上施加的扭矩實際上是由繞組中的電流決定的，而非電壓。繞組中的電流I與其施加的電壓V之間的關(guān)系受到繞組電感L和繞組電阻R的影響。根據(jù)歐姆定律，電阻R決定了在給定電壓下的最大電流，即I=V/R。同時，電感L則通過公式dI/dt = V/L決定了繞組中電流的最大變化率。在電壓脈沖的作用下，電流會隨電感迅速增加，直至達(dá)到V/R的穩(wěn)定值，并在脈沖的持續(xù)時間內(nèi)保持這一水平。
因此，當(dāng)使用恒壓驅(qū)動控制時，步進(jìn)電機(jī)的最大速度受到其電感的限制。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定水平時，電壓U的變化會比電流I的變化快。簡單來說，電流的變化率與L/R的值成正比（例如，10mH的電感和2歐姆的電阻大約需要5毫秒才能達(dá)到最大扭矩的約2/3，或者大約24毫秒才能達(dá)到最大扭矩的99%）。為了在高速條件下獲得高扭矩，需要采取一系列措施，包括提高驅(qū)動電壓、降低繞組電阻以及減小繞組電感。
在使用L/R驅(qū)動方案時，為了控制低壓電阻電機(jī)，一種常見的做法是在每個繞組上串聯(lián)一個外部電阻，并使用更高的驅(qū)動電壓，但這種方法會導(dǎo)致在電阻中產(chǎn)生不必要的功率損耗和熱量，從而降低了系統(tǒng)的整體效率。盡管這種方案簡單易行且成本較低，但在性能上卻不盡如人意，通常被視為次優(yōu)選擇。
為了克服這些限制，現(xiàn)代電壓模式驅(qū)動器采用了更為先進(jìn)的技術(shù)。它們通過向電機(jī)相位施加近似正弦波形的電壓來實現(xiàn)更高效的驅(qū)動。這種電壓波形的幅度隨著步進(jìn)頻率的增加而相應(yīng)增加。如果調(diào)整得當(dāng)，這種驅(qū)動策略可以有效地補(bǔ)償電感和反電動勢對電機(jī)性能的影響，從而在保持較低設(shè)計復(fù)雜性的同時，相對于電流模式驅(qū)動器提供不錯的性能。但這種電壓模式驅(qū)動器的設(shè)計復(fù)雜性和成本也會相應(yīng)增加。
• 斬波驅(qū)動電路
斬波驅(qū)動電路也被稱為恒流驅(qū)動電路，其核心在于在每個繞組中生成受控的電流，而非簡單地施加恒定的電壓。這種電路特別適用于雙繞組雙極性電機(jī)，其中兩個繞組可分別驅(qū)動以產(chǎn)生順時針（CW）或逆時針（CCW）的電機(jī)扭矩。在每個繞組上，供電電壓以方波的形式施加，而電機(jī)繞組中的電感則起到平滑電流的作用。實際電流的達(dá)成率取決于方波的占空比。在大多數(shù)應(yīng)用中，控制器會提供雙極性（+和-）電壓。因此，當(dāng)占空比為50%時，繞組中的電流為零；占空比為0%時，電流達(dá)到一個方向上的完整V/R（電壓/電阻）值；占空比為100%時，則在相反方向上達(dá)到完整電流。控制器通過測量與繞組串聯(lián)的電阻兩端的電壓來監(jiān)測電流水平。
盡管這種方法需要額外的電子設(shè)備來測量繞組電流并控制其通斷狀態(tài)，但它能使步進(jìn)電機(jī)在更高的扭矩和速度下運(yùn)行，相較于傳統(tǒng)的L/R驅(qū)動器具有顯著優(yōu)勢。此外，斬波驅(qū)動電路允許控制器輸出預(yù)定的電流水平，而非固定的值，從而增加了控制器的靈活性和精確度。為了滿足這些高級需求，市場上已經(jīng)廣泛提供了集成化的斬波驅(qū)動電子元件。
步進(jìn)電機(jī)電流波形
步進(jìn)電機(jī)是多相同步電機(jī)，理想情況下由正弦電流驅(qū)動。全階波形與正弦曲線大致相似，這也是電機(jī)振動的主要原因。為了更更精確地模擬正弦驅(qū)動波形，目前已經(jīng)開發(fā)了多種驅(qū)動技術(shù)：單相驅(qū)動、兩相驅(qū)動、半步進(jìn)和微步進(jìn)。• 單相驅(qū)動
在此驅(qū)動模式下，每次只激活一個相。它的步數(shù)與兩相驅(qū)動相同，但電機(jī)的扭矩將明顯小于兩相驅(qū)動扭矩，因此其應(yīng)用較為有限。若轉(zhuǎn)子有25個齒，旋轉(zhuǎn)一個齒位需要4步。從而每轉(zhuǎn)需要100步，每步的角度為3.6°（360°/100）。• 兩相驅(qū)動
此方法是步進(jìn)電機(jī)的常見驅(qū)動模式。在這種模式下，兩個相位始終處于開啟狀態(tài)，因此電機(jī)能夠輸出其最大額定扭矩。當(dāng)一個相位關(guān)閉時，另一個相位會立即開啟，以保持電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。雖然驅(qū)動波形與單相驅(qū)動波形相似，但兩者在扭矩表現(xiàn)上存在差異。• 半步驅(qū)動
在半步驅(qū)動中，驅(qū)動器會在兩相和單相之間交替切換，從而提高電機(jī)的角分辨率。然而，電機(jī)在全步位置（僅單相上電時）的扭矩會減小至約70%的額定扭矩。為了補(bǔ)償扭矩的減少，可以通過增加繞組中的電流來提高扭矩。半步驅(qū)動的優(yōu)點在于無需改變驅(qū)動電子設(shè)備即可實現(xiàn)。• 微步驅(qū)動
通常所說的微步距驅(qū)動即正弦余弦驅(qū)動，其中繞組電流近似于正弦交流波形。斬波驅(qū)動電路是實現(xiàn)正余弦電流的常見方法。正弦-余弦微步驅(qū)動是常見的形式，但其他波形也會被采用。無論使用哪種波形，隨著步距的減小，電機(jī)的運(yùn)行將變得更加平穩(wěn)，從而顯著減少電機(jī)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的振動。此外，通過加裝減速機(jī)，可以進(jìn)一步提高電機(jī)的定位分辨率。步進(jìn)電機(jī)專業(yè)用語
• 牽入力矩（啟動力矩）
牽入力矩是指在電機(jī)已勵磁的狀態(tài)下，能夠以一固定頻率啟動并同步運(yùn)行而不發(fā)生丟步現(xiàn)象的最大轉(zhuǎn)矩。它反映了電機(jī)在啟動階段需要克服的力矩，包括轉(zhuǎn)子慣量的加速轉(zhuǎn)矩、外接負(fù)載的摩擦轉(zhuǎn)矩等。因此，牽入力矩通常小于牽出力矩。• 牽出力矩（運(yùn)行力矩）
牽出力矩是指在給定頻率下，電機(jī)能夠同步運(yùn)行且不發(fā)生丟步的最大轉(zhuǎn)矩。它體現(xiàn)了電機(jī)在恒速下所能產(chǎn)生的最大力矩。在恒速運(yùn)行時，由于轉(zhuǎn)子內(nèi)部的動能和慣性載荷的作用，牽出力矩通常會大于牽入力矩。• 定位力矩（Detent Torque）
定位力矩是指在步進(jìn)電機(jī)未通電的情況下，定子對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的鎖定力矩。它表示了步進(jìn)電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下，其內(nèi)部機(jī)制使轉(zhuǎn)子保持在特定位置的能力。定位力矩有助于電機(jī)在受到輕微外力時保持其位置，特別是在需要高精度定位的應(yīng)用中。• 保持力矩
保持力矩是指步進(jìn)電機(jī)在停止運(yùn)轉(zhuǎn)時，電機(jī)仍能維持的最大轉(zhuǎn)矩。它反映了步進(jìn)電機(jī)在沒有外界動力源的情況下，保持其靜態(tài)穩(wěn)定性的能力。保持力矩與電機(jī)型號、結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式等因素有關(guān)，是評估電機(jī)靜態(tài)性能的重要指標(biāo)。較高的保持力矩意味著電機(jī)具有更好的靜態(tài)穩(wěn)定性，適用于需要維持固定位置或防止失步的應(yīng)用場合。步進(jìn)電機(jī)特性
• 準(zhǔn)確位置控制 步進(jìn)電機(jī)以一個固定的步距角轉(zhuǎn)動，就像時鐘內(nèi)的秒針，這個角度稱為基本步距角。鳴志提供多種步距角的步進(jìn)電機(jī)，分別有0.72°、0.9°、1.2°、1.5°、1.8°、3.6°、3.75°等，還有更多機(jī)型步距角并沒有一一列舉在此，更多詳情請聯(lián)系鳴志公司。• 簡單的脈沖信號控制 需高精度定位的系統(tǒng)如下所示。控制器發(fā)出的脈沖信號可以準(zhǔn)確地控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度和速度。 |  |
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• 什么是脈沖信號？
| 脈沖信號是一個電壓反復(fù)在ON 和OFF 之間改變的電信號。 每個ON/OFF周期被記為一個脈沖。單個脈沖信號指令使電機(jī)出力軸轉(zhuǎn)動一步。 對應(yīng)電壓ON 和OFF 情況下的信號電平被分別稱為“H”和“L”。 |  |
• 轉(zhuǎn)動距離與脈沖數(shù)成比例關(guān)系
| 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動距離正比于施加到驅(qū)動器上的脈沖信號數(shù)（脈沖數(shù)）。 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動（電機(jī)出力軸轉(zhuǎn)動角度）和脈沖數(shù)的關(guān)系如下所示： |  |
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• 轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成比例關(guān)系
| 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與施加到驅(qū)動器上的脈沖信號頻率成比例關(guān)系。 電機(jī)的轉(zhuǎn)速[r/min] 與脈沖頻率[Hz] 的關(guān)系如下（整步模式）： |  |
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• 高力矩、小體積
步進(jìn)電機(jī)的重要特征之一是高力矩、小體積。這些特征使得電機(jī)具有優(yōu)秀的加速和響應(yīng)，使得這些電機(jī)非常適合那些需要頻繁啟動和停止的應(yīng)用中。
鳴志也有帶減速機(jī)型電機(jī)可供選擇，以滿足低速下更高力矩的需求。
• 能夠頻繁啟動/ 停止 | • 相同尺寸下的伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的速度力矩特性比較 |
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• 電機(jī)在停止位置自保持 繞組通電時步進(jìn)電機(jī)具有全部的保持力矩。這就意味著步進(jìn)電機(jī)可以在不使用機(jī)械剎車的情況下保持在停止位置。 |  |
| 一旦電源被切斷，電機(jī)自身的保持力矩丟失，電機(jī)不能在垂直操作中或施加外力作用下保持在停止位置。在提升和其它相似應(yīng)用中需要使用帶電磁剎車的電機(jī)。 |  |
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| 鳴志創(chuàng)新性地將伺服控制技術(shù)融入步進(jìn)電機(jī)之中，創(chuàng)造出具有全新優(yōu)異性能表現(xiàn)的運(yùn)動控制終端—步進(jìn)伺服。步進(jìn)伺服驅(qū)動器大大提升了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行效果，具有控制更智能、運(yùn)行更高效、結(jié)構(gòu)更緊湊、定位更準(zhǔn)確、運(yùn)行更快速和平滑等諸多特點。 |
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步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域
鳴志的步進(jìn)電機(jī)在各種設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，為這些設(shè)備提供精確的運(yùn)動控制。其中包括：• 辦公自動化：打印機(jī)、掃描儀、復(fù)印機(jī)、多功能一體機(jī)等；
• 舞臺燈光：光射方向控制、調(diào)焦、色變和光斑調(diào)控、燈光特效等；
• 銀行領(lǐng)域：ATM機(jī)、票據(jù)打印、銀行卡制作、點鈔機(jī)等；
• 醫(yī)療領(lǐng)域：CT掃描儀、血液分析儀、生化分析儀等；
• 工業(yè)領(lǐng)域：紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、機(jī)器人、輸送、組裝流水線、貼標(biāo)機(jī)等；
• 通信領(lǐng)域：信號調(diào)節(jié)、移動天線定位等；
• 安防行業(yè)：監(jiān)控攝像頭的運(yùn)動控制；
• 汽車行業(yè)：油閥/氣閥控制、車燈轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。