摘要　回顧了步進電動機產品的發(fā)展，及目前尚存在規(guī)格品種繁雜，不利于發(fā)展的局面。提出應用電流型驅動技術統(tǒng)一步進電動機的相數，首次提出了分數通電狀態(tài)數驅動技術，為統(tǒng)一步進電動機的齒數和結構類型提供了基礎，提高主流產品的通用性，逐步盡量多地替代其它相數、轉子齒數的混合式步進電動機及磁阻式步進電動機，簡化產品的格局，有利于技術和生產的發(fā)展。 關鍵詞：步進電動機　混合式步進電動機　產品格局 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 步進電動機問世以后，很快確定了自己的應用場合，為開環(huán)高分辨率的定位系統(tǒng)，工業(yè)應用發(fā)展到今已有約30年的歷史，還沒有發(fā)現(xiàn)更適合的取代它的產品［1］，而且已經發(fā)展成為除直流和交流電機外的第三大類電動機產品，可是它畢竟發(fā)展的歷史不長，尚有不成熟的感覺。 從步進電動機產品的總體來看，最為突出的問題是規(guī)格品種繁雜，從結構類型上主要是永磁（混合）和磁阻式兩大類；相數則有2、3、4、5、6、8、9相等多種，與各種不同轉子齒數相配合，做成各種不同的步距角，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°等等不勝枚舉。還有不同的機座號，目前國內公制系列有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。再加上每個機座號的電機有不同的鐵心疊長，不同的電壓、電流和繞組匝數，不同的軸伸和安裝尺寸等，其規(guī)格品種之復雜可想而知。這種狀態(tài)對步進電動機產業(yè)的發(fā)展十分不利。①增加了模具和工裝的投資；②生產管理復雜化；③不易形成批量生產，使生產成本增加；④分散了財力和人力不利于產品的完善和改進；⑤配套的驅動器的生產也復雜化，同樣不利于發(fā)展；⑥也使應用和技術服務復雜化。 任何一種產品大概都有一個從復雜到簡單的發(fā)展過程，步進電動機約30年來的發(fā)展，也已經逐步形成了自己的主流產品，在西方國家，可明顯看出最大量應用的是定子8極轉子50齒的二相混合式步進電動機，其次是定子10極轉子50齒的五相混合式步進電動機被認為有較高運行性能指標而廣泛用于工業(yè)自動化的場合［2］。 我國步進電動機產品的發(fā)展有自己的特點，80年代以前一直以磁阻式步進電動機為主，70年代末形成的系列產品以定子6極轉子40齒的三相磁阻式步進電動機為主。另外有定子10極轉子100齒的五相磁阻式步進電動機和其他的品種。80年代開始發(fā)展混合式步進電動機，也是以定子8極轉子50齒的二相（四相）混合式步進電動機為主，1987年開始生產定子10極轉子50齒的五相混合式步進電動機，同時還發(fā)展了一些不同于國外的產品，例如定子8極轉子60個齒的二相（四相）混合式步進電動機；轉子100齒的三相、九相混合式步進電動機；轉子200齒的五相混合式步進電動機等。這就使得我國步進電動機產品形成特別混雜的局面，對產業(yè)的發(fā)展很不利。認識到這一點，找出有效的辦法來改變這種局面，對步進電機產業(yè)的發(fā)展是很重要和有利的，本文從技術的角度，探討加速統(tǒng)一步進電動機產品的途徑。 2　運用微步驅動技術統(tǒng)一步進電動機的相數 屬于增量運動控制器件的步進電動機，在應用微步驅動技術以后，它的分辨率可以提高，在必要時可以很高，達到接近連續(xù)運動控制器件的狀態(tài)，被稱為“類伺服”特性，這顯然是70年代開始研究微步驅動技術的主要目標。 微步驅動技術是一種電流波形控制技術，在通常的驅動器中，僅對相繞組的電流進行通斷控制，在轉子齒數一定的條件下增加相數才能增加電動機的分辨率。例如五相混合式步進電動機比二相混合式步進電動機增加了相數，提高了分辨率，許多運行性能得到提高，成為一個獨立的系列產品。采用電流波形控制技術后，二相電動機只要增加電流波形的階梯數，就可以提高分辨率［2,3］要達到與五相電動機一樣的分辨率也很方便。這就給統(tǒng)一步進電動機的相數提供了基礎［4］。 德國BL公司原生產五相混合式步進電動機，1994年他們的五相電動機專利期滿以后，推出了新的三相混合式步進電動機系列，是定子6極轉子50齒的結構。配套電流型驅動器，每轉步數為200、400、1000、2000和2000、4000、10000、20000，可看出它兼有通常二相電機和五相電機的分辨率，還可以在此基礎上增高到10倍（十細分）。應該說，這是一種很好的設計方案，它充分運用了電流型驅動技術的功能，讓統(tǒng)一的三相電動機系列可以同時適合原有二相和五相電動機的應用場合。 用三相電動機來取代原來生產的五相電動機，且采用更為普及的三相功率器件，驅動器的成本會下降，同時具有二相電動機的分辨率，適應性加強，從公司的角度來看是很有效益的，可是從整個步進電動機產業(yè)的角度，以及從產品發(fā)展由復雜到簡單這個規(guī)律的角度看卻不見得最好。因為用該三相系統(tǒng)來取代現(xiàn)有的廣泛應用的二相電動機顯然是不現(xiàn)實的，因此只能是在步進電動機本來復雜的產品格局中，逐步向以二相混合式步進電動機為主，輔之以五相混合式步進電動機的產品格局發(fā)展的過程中，反而增加出一個三相混合式步進電動機系列，至少從總體來看沒有前進的感覺。 如果以二相電動機為基礎，采用電流型驅動器，讓它同時具有五相電動機的分辨率和其他功能，情況就不一樣了，這將是一種最為節(jié)省的、最順乎自然的發(fā)展方向。改變分辨率不成問題，要讓全部的性能都不低于原有的五相電動機則還有一定的工作要做。 作者將原生產的86BH250B型二相混合式步進電動機，采用電流型驅動器，作了一些初步的研究，與原有產品90BH550B型五相混合式步進電動機，配以恒總流驅動器的系統(tǒng)相比較。樣機實驗對比情況如下： （1）外型尺寸如圖1所示，二種電機軸向長度基本一致，直徑二相電機稍小一些。 圖1　外形尺寸的對比 （a）86BH250B型?。╞）90BH550B型 Fig.1　Comparison of outline dimensions （2）保持轉矩特性如圖2所示，二種電機的保持轉矩基本相近，在同樣額定電流3A時，二相電動機稍大一些。 圖2　樣機保持轉矩實驗曲線 （a）86BH250B型?。╞）90BH550B型 Fig.2　Measured holding torque of sample motors （3）牽出轉矩特性如圖3所示，在較低頻段（≤2000pps）,二相電動機的轉矩稍高一些，在頻率較高時則比五相電動機的 圖3　樣機牽出特性實驗結果 （a）86BH250B型?。╞）90BH550B型 Fig.3　Measured pullout torque of sample motors （4）定位轉矩。實測五相電動機TD5=0.1N.m，二相電動機TD2=0.15N.m，為同一數量級。 （5）步距精度［5］。一轉范圍內步距角的實測結果如圖4所示，可看出二種電機步距誤差相近。 圖4　樣機步距角實驗曲線 Fig.4　Measured step angle of sample motors （6）單步響應特性［6,7］。恒流驅動的五相電機半步方式時有明顯的輕重步現(xiàn)象；二相電機20狀態(tài)運行時，有五步一循環(huán)的特點，但較為均勻。 （7）振動特性［8］。圖5示二相電機初步改進后的振動特性，除了低頻和中頻段尚有需要進一步改進之處，此外，運行都很平穩(wěn)。 圖5　初步改進后二相20狀態(tài)振動 特性實測曲線（86BH250B） Fig.5　Measured vibration characteristic of two-phase motor operating at twenty logic-states 8）驅動器。二相電動機的驅動器比五相電動機的成本有所降低。 以上對比表明，讓86BH250B型二相混合式步進電動機20狀態(tài)運行時，可以替代90BH550B型五相混合式步進電動機，且有更高的性能價格比。實踐表明了能為用戶所接受并感到滿意，再做一些仔細的完善工作，情況會更好。 3　統(tǒng)一步進電動機齒數的研究 用一個具體例子來說明這個問題：我國在70年代發(fā)展了自己的磁阻式步進電動機系列產品，有較好的性能指標。在1983年開始發(fā)展經濟型數控機床時采用了定子6極轉子80個齒的110BF003型磁阻式步進電動機，半步方式運行時步距角為0.75°，為了發(fā)展我國的混合式步進電動機產品，不得不設計了一種定子8極轉子60齒的110BYG001型（110BH260）二相（四相）混合式步進電動機，安裝尺寸與磁阻式電動機一樣，性能指標則稍高一些，這種電動機于1986年開始生產后占領了一定的應用市場。它與主流產品110BH250型電動機相差不多，可是又不能替代，制造廠家如果不生產這種產品就不能滿足用戶的需要，要求用戶改變已經定型的整機結構是很難的，制造廠家生產這種電機使規(guī)格品種增加，是一種不得已的事情。 微步驅動技術是控制電流波形為正弦階梯波，一個齒距為一個周期，一個周期內的階梯數便是通電狀態(tài)數n1，通常電流波形正負半波對稱，所以n1為偶數步距角， n1=2k　　k=2,3,4,5,…?。?） （2） 轉子齒數Zr=50的電動機，齒距角θt=7.2°，步距角為 （3） 可見，得不出60齒電動機0.75°/1.5°的步距角。 本文提出一種“分數通電狀態(tài)數驅動技術”可解決上述困難，仍舊是采用電流型驅動器，應用電流波形控制技術，讓電流波形按所要求的步距角變化，并不要求正弦波在一個齒距內有整數個階梯，只要求在若干個齒距內有整數個階梯，在有限齒距數范圍內形成循環(huán)就可以。 仍以上述例子為例，0.75°的步距角，對Zr=50的電動機來說，對應的電角度為 θbe=Zrθb=50×0.75°=37.5°電角度 （4） 只要讓二相電動機的電流按照 （5） 的階梯波形變化時，合成電流或合成轉矩的相量隨著階梯（k1值）變化按圖6所示相量的順序變化。可以看出相鄰相量間的平角為37.5°電角度，對應的機械角即為0.75°，也就是說，在Zr=50的電動機上，獲得與Zr=60電動機一樣的步距角，只是一個齒距不是步距角的整倍數。 圖6　合成電流或合成轉矩的相量隨著階梯（k1值）變化圖 Fig.6　Resultant current or torque phase diagram at different current steps 按照一般的說法，n1稱為通電狀態(tài)數，一般為整數，而且都是偶數，這里則是一個小數，所以稱為“分數通電狀態(tài)數驅動技術”。步進電動機的邏輯通電狀態(tài)必需形成循環(huán)，才能保證電動機持續(xù)運轉，不能以一個齒距為循環(huán)周期，以幾個齒距為循環(huán)周期也不要緊，如上述例子，經五個齒距可形成循環(huán)，因此它的實際通電狀態(tài)數是五個齒距內的步距數。 可以看出，運用所提出的分數通電狀態(tài)數驅動技術，按式（5）來設定電流波形，就可以得到任意要求的步距角。只要在有限數的齒距內能形成循環(huán)，這種步距角的驅動就能實現(xiàn)。為統(tǒng)一步進電動機的齒數提供了基礎。 4　關于磁阻式步進電動機 在國外，混合式步進電動機與磁阻式步進電動機開始時一起發(fā)展，已逐步發(fā)展成以混合式步進電動機為主流的格局。在我國則不同，一直以磁阻式步進電動機為主，在這方面做的工作較多，為廣大國內用戶所熟悉，混合式步進電動機到80年代后期才逐步發(fā)展起來，歷史較短，不少人還不十分熟悉它。隨著混合式步進電動機和驅動器技術及生產的發(fā)展，性能不斷提高，成本有所下降，從性能價格比的角度應能為更多的人所接受。但是要為原有磁阻式電動機用戶接受的較大障礙是步距角不兼容。 如前所述，1986年時不得不設計一種轉子60齒的二相（四相）混合式電動機，去取代轉子80齒的三相磁阻式步進電動機，就是為了達到步距角兼容的目的。我國磁阻式步進電動機以轉子40齒的三相為主，用二相50齒的混合式電動機，按照一般微步驅動的概念，做不到步距角的兼容。現(xiàn)在按照所提出的分數通電狀態(tài)數驅動技術的方法，幾乎可以獲得所有要求的步距角，問題就不難解決了。 5　結論 （1）步進電動機產品由于結構類型、相數、極數和齒數的不同而規(guī)格品種繁雜，是一種發(fā)展尚不成熟的現(xiàn)象。向通用型統(tǒng)一的產品方向邁進，有利于技術和生產的發(fā)展，符合事物的客觀規(guī)律。 （2）縱觀步進電動機發(fā)展的歷史及現(xiàn)狀，以轉子50齒的二相混合式步進電動機為主體，提高它的通用性，逐步盡量多地替代其他相數、轉子齒數的混合式步進電動機及磁阻式步進電動機，簡化產品結構，是最為現(xiàn)實的途徑。 （3）電流型驅動技術的發(fā)展，為統(tǒng)一混合式電動機的相數提供了基礎。初步的實踐表明，用二相混合式步進電動機取代五相電動機是切實可行的。 （4）本文提出的分數通電狀態(tài)數驅動技術，使得轉子50齒的二相混合式步進電動機幾乎可以按所有要求的任何值的步距角運行，使得與其他轉子齒數（如Zr=60）的混合式步進電動機及磁阻式步進電動機的步距角兼容成為可能。 作者簡介：程　智　1970年生，博士學位，現(xiàn)為浙江大學博士后，主要從事步進電動機運行理論及驅動技術的研究，發(fā)表論文10余篇。 作者單位：王宗培　孫寶奎（哈爾濱工業(yè)大學　150001） 　　　　　程　智　（浙江大學　310027） 　　　　　任　雷?。ㄇ迦A大學　100084） 參考文獻 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.混合式步進電動機的研究（一），電工技術雜志，1998 （3） 3　王宗培，任雷等.混合式步進電動機的研究（二），電工技術雜志，1998 （4） 4　王宗培，程智，任雷.統(tǒng)一混合式步進電動機相數的研究.第六屆全國永磁電機學術交流會論文集，吉林，1998，94～104 5　王宗培，鄭大鵬，王英.一種新的步進電動機步距精度測試系統(tǒng).微電機，1994（4）：32～34 6　王宗培，鄭大鵬等.步進電動機單步響應特性的測試.電工技術雜志，1994（1）：24～26 7　王宗培，王英，陳敏祥.步進電動機走步均勻性的新概念（輕、重步現(xiàn)象）.電工技術雜志，1994（6）：12～14 8　王宗培，王英，鄭大鵬等.步進電動機振動特性的微機測試系統(tǒng).電工技術雜志，1993 （5）：14～16