论步进电动机产品的格局

论步进电动机产品的格局(统一步进电动机相数和齿数的研究)

王宗培　孙宝奎　程智　任雷

　　摘要　回顾了步进电动机产品的发展，及目前尚存在规格品种繁杂，不利于发展的局面。提出应用电流型驱动技术统一步进电动机的相数，首次提出了分数通电状态数驱动技术，为统一步进电动机的齿数和结构类型提供了基础，提高主流产品的通用性，逐步尽量多地替代其它相数、转子齿数的混合式步进电动机及磁阻式步进电动机，简化产品的格局，有利于技术和生产的发展。
　　关键词：步进电动机　混合式步进电动机　产品格局

Discussing on Product Arrangement of Stepping Motors
(Research on Unifying of Stepping Motors Phase-Number and Tooth-Number)

Wang Zongpei　Sun Baokui
(Harbin Institute of Technology　150001　China)
Cheng Zhi
(Zhejiang University　310027　China)
Ren Lei
(Qinghua University　100084　China)

　　Abstract　This paper gives reviews on the development of stepping motor products and the present unfavorable situations of complex product specifications.The paper proposes to unify the stepping motor phase-number configurations by the application of current-mode driving technology.For the first time,the fraction-stimulated driving technology is put forward,which provides the foundation of unifying the tooth-number and construction,improving product universality,gradually replacing other kind of hybrid stepping motor with different phase-number or rotor tooth-number and VR stepping motor as many as possible,and simplifying product arrangement.It is advantageous to development of techniques and manufacturing.
　　Keywords:Stepping motor　Hybrid stepping motor　Product arrangement

1　引言
　　步进电动机问世以后，很快确定了自己的应用场合，为开环高分辨率的定位系统，工业应用发展到今已有约30年的历史，还没有发现更适合的取代它的产品^［1］，而且已经发展成为除直流和交流电机外的第三大类电动机产品，可是它毕竟发展的历史不长，尚有不成熟的感觉。
　　从步进电动机产品的总体来看，最为突出的问题是规格品种繁杂，从结构类型上主要是永磁(混合)和磁阻式两大类；相数则有2、3、4、5、6、8、9相等多种，与各种不同转子齿数相配合，做成各种不同的步距角，例如：0.09°、0.1°、0.18°、0.2°、0.36°、0.45°、0.6°、0.72°、0.75°、0.9°、0.96°、1°、1.2°、1.5°、1.875°、2°、2.25°、3°、3.75°、4°、4.5°等等不胜枚举。还有不同的机座号，目前国内公制系列有24、28、36、45、55、60、70、75、90、110、130、150、160、200mm等，英制系列有42、57、86、104以及□42、57、86mm等。再加上每个机座号的电机有不同的铁心叠长，不同的电压、电流和绕组匝数，不同的轴伸和安装尺寸等，其规格品种之复杂可想而知。这种状态对步进电动机产业的发展十分不利。①增加了模具和工装的投资；②生产管理复杂化；③不易形成批量生产，使生产成本增加；④分散了财力和人力不利于产品的完善和改进；⑤配套的驱动器的生产也复杂化，同样不利于发展；⑥也使应用和技术服务复杂化。
　　任何一种产品大概都有一个从复杂到简单的发展过程，步进电动机约30年来的发展，也已经逐步形成了自己的主流产品，在西方国家，可明显看出最大量应用的是定子8极转子50齿的二相混合式步进电动机，其次是定子10极转子50齿的五相混合式步进电动机被认为有较高运行性能指标而广泛用于工业自动化的场合^［2］。
　　我国步进电动机产品的发展有自己的特点，80年代以前一直以磁阻式步进电动机为主，70年代末形成的系列产品以定子6极转子40齿的三相磁阻式步进电动机为主。另外有定子10极转子100齿的五相磁阻式步进电动机和其他的品种。80年代开始发展混合式步进电动机，也是以定子8极转子50齿的二相(四相)混合式步进电动机为主，1987年开始生产定子10极转子50齿的五相混合式步进电动机，同时还发展了一些不同于国外的产品，例如定子8极转子60个齿的二相(四相)混合式步进电动机；转子100齿的三相、九相混合式步进电动机；转子200齿的五相混合式步进电动机等。这就使得我国步进电动机产品形成特别混杂的局面，对产业的发展很不利。认识到这一点，找出有效的办法来改变这种局面，对步进电机产业的发展是很重要和有利的，本文从技术的角度，探讨加速统一步进电动机产品的途径。

2　运用微步驱动技术统一步进电动机的相数
　　属于增量运动控制器件的步进电动机，在应用微步驱动技术以后，它的分辨率可以提高，在必要时可以很高，达到接近连续运动控制器件的状态，被称为“类伺服”特性，这显然是70年代开始研究微步驱动技术的主要目标。
　　微步驱动技术是一种电流波形控制技术，在通常的驱动器中，仅对相绕组的电流进行通断控制，在转子齿数一定的条件下增加相数才能增加电动机的分辨率。例如五相混合式步进电动机比二相混合式步进电动机增加了相数，提高了分辨率，许多运行性能得到提高，成为一个独立的系列产品。采用电流波形控制技术后，二相电动机只要增加电流波形的阶梯数，就可以提高分辨率^［2,3］要达到与五相电动机一样的分辨率也很方便。这就给统一步进电动机的相数提供了基础^［4］。
　　德国BL公司原生产五相混合式步进电动机，1994年他们的五相电动机专利期满以后，推出了新的三相混合式步进电动机系列，是定子6极转子50齿的结构。配套电流型驱动器，每转步数为200、400、1000、2000和2000、4000、10000、20000，可看出它兼有通常二相电机和五相电机的分辨率，还可以在此基础上增高到10倍(十细分)。应该说，这是一种很好的设计方案，它充分运用了电流型驱动技术的功能，让统一的三相电动机系列可以同时适合原有二相和五相电动机的应用场合。
　　用三相电动机来取代原来生产的五相电动机，且采用更为普及的三相功率器件，驱动器的成本会下降，同时具有二相电动机的分辨率，适应性加强，从公司的角度来看是很有效益的，可是从整个步进电动机产业的角度，以及从产品发展由复杂到简单这个规律的角度看却不见得最好。因为用该三相系统来取代现有的广泛应用的二相电动机显然是不现实的，因此只能是在步进电动机本来复杂的产品格局中，逐步向以二相混合式步进电动机为主，辅之以五相混合式步进电动机的产品格局发展的过程中，反而增加出一个三相混合式步进电动机系列，至少从总体来看没有前进的感觉。
　　如果以二相电动机为基础，采用电流型驱动器，让它同时具有五相电动机的分辨率和其他功能，情况就不一样了，这将是一种最为节省的、最顺乎自然的发展方向。改变分辨率不成问题，要让全部的性能都不低于原有的五相电动机则还有一定的工作要做。
　　作者将原生产的86BH250B型二相混合式, 步进电动机，采用电流型驱动器，作了一些初步的研究，与原有产品90BH550B型五相混合式步进电动机，配以恒总流驱动器的系统相比较。样机实验对比情况如下：
　　(1)外型尺寸如图1所示，二种电机轴向长度基本一致，直径二相电机稍小一些。

图1　外形尺寸的对比
(a)86BH250B型　(b)90BH550B型
Fig.1　Comparison of outline dimensions

　　(2)保持转矩特性如图2所示，二种电机的保持转矩基本相近，在同样额定电流3A时，二相电动机稍大一些。

图2　样机保持转矩实验曲线
(a)86BH250B型　(b)90BH550B型
Fig.2　Measured holding torque of sample motors

　　(3)牵出转矩特性如图3所示，在较低频段(≤2000pps),二相电动机的转矩稍高一些，在频率较高时则比五相电动机的低。

图3　样机牵出特性实验结果
(a)86BH250B型　(b)90BH550B型
Fig.3　Measured pullout torque of sample motors

　　(4)定位转矩。实测五相电动机T_D5=0.1N^.m，二相电动机T_D2=0.15N^.m，为同一数量级。
　　(5)步距精度^［5］。一转范围内步距角的实测结果如图4所示，可看出二种电机步距误差相近。

图4　样机步距角实验曲线
Fig.4　Measured step angle of sample motors

　　(6)单步响应特性^［6,7］。恒流驱动的五相电机半步方式时有明显的轻重步现象；二相电机20状态运行时，有五步一循环的特点，但较为均匀。
　　(7)振动特性^［8］。图5示二相电机初步改进后的振动特性，除了低频和中频段尚有需要进一步改进之处，此外，运行都很平稳。

图5　初步改进后二相20状态振动
特性实测曲线(86BH250B)
Fig.5　Measured vibration characteristic of
two-phase motor operating at twenty logic-states

　　(8)驱动器。二相电动机的驱动器比五相电动机的成本有所降低。
　　以上对比表明，让86BH250B型二相混合式步进电动机20状态运行时，可以替代90BH550B型五相混合式步进电动机，且有更高的性能价格比。实践表明了能为用户所接受并感到满意，再做一些仔细的完善工作，情况会更好。

3　统一步进电动机齿数的研究
　　用一个具体例子来说明这个问题：我国在70年代发展了自己的磁阻式步进电动机系列产品，有较好的性能指标。在1983年开始发展经济型数控机床时采用了定子6极转子80个齿的110BF003型磁阻式步进电动机，半步方式运行时步距角为0.75°，为了发展我国的混合式步进电动机产品，不得不设计了一种定子8极转子60齿的110BYG001型(110BH260)二相(四相)混合式步进电动机，安装尺寸与磁阻式电动机一样，性能指标则稍高一些，这种电动机于1986年开始生产后占领了一定的应用市场。它与主流产品110BH250型电动机相差不多，可是又不能替代，制造厂家如果不生产这种产品就不能满足用户的需要，要求用户改变已经定型的整机结构是很难的，制造厂家生产这种电机使规格品种增加，是一种不得已的事情。
　　微步驱动技术是控制电流波形为正弦阶梯波，一个齿距为一个周期，一个周期内的阶梯数便是通电状态数n₁，通常电流波形正负半波对称，所以n₁为偶数

n₁=2k　　k=2,3,4,5,…　　　　　　　　　　　　　　(1)

步距角，

　　　　　　　　　　　　　　(2)

转子齿数Z_r=50的电动机，齿距角θ_t=7.2°，步距角为

　　　　　　　　　　(3)

可见，得不出60齿电动机0.75°/1.5°的步距角。
　　本文提出一种“分数通电状态数驱动技术”可解决上述困难，仍旧是采用电流型驱动器，应用电流波形控制技术，让电流波形按所要求的步距角变化，并不要求正弦波在一个齿距内有整数个阶梯，只要求在若干个齿距内有整数个阶梯，在有限齿距数范围内形成循环就可以。
　　仍以上述例子为例，0.75°的步距角，对Z_r=50的电动机来说，对应的电角度为

θ_be=Z_rθ_b=50×0.75°=37.5°电角度　　　　　　　　　　　　　(4)

只要让二相电动机的电流按照

　　　　　　　　　　(5)

的阶梯波形变化时，合成电流或合成转矩的相量随着阶梯(k₁值)变化按图6所示相量的顺序变化。可以看出相邻相量间的平角为37.5°电角度，对应的机械角即为0.75°，也就是说，在Z_r=50的电动机上，获得与Z_r=60电动机一样的步距角，只是一个齿距不是步距角的整倍数。

　　　　　　　　　　　　　　　(6)

图6　合成电流或合成转矩的相量随着阶梯(k₁值)变化图
Fig.6　Resultant current or torque phase diagram
at different current steps

　　按照一般的说法，n₁称为通电状态数，一般为整数，而且都是偶数，这里则是一个小数，所以称为“分数通电状态数驱动技术”。步进电动机的逻辑通电状态必需形成循环，才能保证电动机持续运转，不能以一个齿距为循环周期，以几个齿距为循环周期也不要紧，如上述例子，经五个齿距可形成循环，因此它的实际通电状态数是五个齿距内的步距数。

　　　　　　　　　　　　　　　(7)

　　可以看出，运用所提出的分数通电状态数驱动技术，按式(5)来设定电流波形，就可以得到任意要求的步距角。只要在有限数的齿距内能形成循环，这种步距角的驱动就能实现。为统一步进电动机的齿数提供了基础。

4　关于磁阻式步进电动机
　　在国外，混合式步进电动机与磁阻式步进电动机开始时一起发展，已逐步发展成以混合式步进电动机为主流的格局。在我国则不同，一直以磁阻式步进电动机为主，在这方面做的工作较多，为广大国内用户所熟悉，混合式步进电动机到80年代后期才逐步发展起来，历史较短，不少人还不十分熟悉它。随着混合式步进电动机和驱动器技术及生产的发展，性能不断提高，成本有所下降，从性能价格比的角度应能为更多的人所接受。但是要为原有磁阻式电动机用户接受的较大障碍是步距角不兼容。
　　如前所述，1986年时不得不设计一种转子60齿的二相(四相)混合式电动机，去取代转子80齿的三相磁阻式步进电动机，就是为了达到步距角兼容的目的。我国磁阻式步进电动机以转子40齿的三相为主，用二相50齿的混合式电动机，按照一般微步驱动的概念，做不到步距角的兼容。现在按照所提出的分数通电状态数驱动技术的方法，几乎可以获得所有要求的步距角，问题就不难解决了。

5　结论
　　(1)步进电动机产品由于结构类型、相数、极数和齿数的不同而规格品种繁杂，是一种发展尚不成熟的现象。向通用型统一的产品方向迈进，有利于技术和生产的发展，符合事物的客观规律。
　　(2)纵观步进电动机发展的历史及现状，以转子50齿的二相混合式步进电动机为主体，提高它的通用性，逐步尽量多地替代其他相数、转子齿数的混合式步进电动机及磁阻式步进电动机，简化产品结构，是最为现实的途径。
　　(3)电流型驱动技术的发展，为统一混合式电动机的相数提供了基础。初步的实践表明，用二相混合式步进电动机取代五相电动机是切实可行的。
　　(4)本文提出的分数通电状态数驱动技术，使得转子50齿的二相混合式步进电动机几乎可以按所有要求的任何值的步距角运行，使得与其他转子齿数(如Z_r=60)的混合式步进电动机及磁阻式步进电动机的步距角兼容成为可能。

作者简介：程　智　1970年生，博士学位，现为浙江大学博士后，主要从事步进电动机运行理论及驱动技术的研究，发表论文10余篇。
作者单位：王宗培　孙宝奎(哈尔滨工业大学　150001)
　　　　　程　智　(浙江大学　310027)
　　　　　任　雷　(清华大学　100084)

参考文献
　1　Jufer M,Heine G.Hybrid stepping motors 25 years of development.Proc.of IMCSD 25th Annual Symosium,1996,307～316
　2　王宗培，任雷等.混合式步进电动机的研究(一)，电工技术杂志，1998 (3)
　3　王宗培，任雷等.混合式步进电动机的研究(二)，电工技术杂志，1998 (4)
　4　王宗培，程智，任雷.统一混合式步进电动机相数的研究.第六届全国永磁电机学术交流会论文集，吉林，1998，94～104
　5　王宗培，郑大鹏，王英.一种新的步进电动机步距精度测试系统.微电机，1994(4)：32～34
　6　王宗培，郑大鹏等.步进电动机单步响应特性的测试.电工技术杂志，1994(1)：24～26
　7　王宗培，王英，陈敏祥.步进电动机走步均匀性的新概念(轻、重步现象).电工技术杂志，1994(6)：12～14
　8　王宗培，王英，郑大鹏等.步进电动机振动特性的微机测试系统.电工技术杂志，1993 (5)：14～16