直线电机工作原理及其驱动技术的应用通信电子电子电气自动化通信电子电子电气自动化.pdf

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1、直线电机工作原理及其驱动技术的应用 摘要：简述了直线电机工作原理及其驱动技术，并且举例说明了直线电机直接驱动与传统数 控机床“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的传动方式对比具有的巨大优势。介绍了直线电机进给 驱动技术在数控机床上的几个应用实例，指出直线电机进给驱动技术将是高速数控机床未来 发展的方向。引言 随着航空航天、汽车制造、模具加工、电子制造行业等领域对高效率地进行加工的要求 越来越高，需要大量高速数控机床。机床进给系统是高速机床的主要功能部件。而直线电机 进给系统彻底改变了传统的滚珠丝杠传动方式存在的弹性变形大、响应速度慢、存在反向间 隙、易磨损等先天性的缺点，并具有速度高、加速度大、定位精度

2、高、行程长度不受限制等 优点，令其在数控机床高速进给系统领域逐渐发展为主导方向。1 直线电机及其驱动技术 现代先进的驱动技术主要分为两大类：一类为电磁式的，另一类则为非电磁式的。电磁类的现代先进的驱动技术主要由现代电磁类驱动器与现代控制系统组成，它的驱动 器包括传统改进型的电磁驱动器与新发展型的电磁驱动器。它们中有旋转的、直线的、磁浮 的、电磁发射的等等。除了在一般通用电机技术基础上改进获得的电机技术外，还有更多的 是在通用电机技术基础上进一步发展的新型电机技术，如直线电机技术、无刷直流电机技术、开关磁阻电机技术和各种新型永磁电机技术等。直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需通过中

3、问任何转换装置的新 颖电机，它具有系统结构简单、磨损少、噪声低、组合性强、维护方便等优点。旋转电机所 具有的品种，直线电机几乎都有相对应的品种，其应用范围正在不断扩大，并在一些它所能 独特发挥作用的地方取得了令人满意的效果。直线电机结构示意图如下图所示。直线电机是将传统圆筒型电机的初级展开拉直，变初 级的封闭磁场为开放磁场，而旋转电机的定子部分变为直线电机的初级，旋转电机的转子部 分变为直线电机的次级。在电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，在初级和次级间产 生气隙磁场，气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，沿展开的直线方向呈正弦分布。当三相 电流随时问变化时，使气隙磁场按定向相序沿直线移动，这

4、个气隙磁场称为行波磁场。当次 级的感应电流和气隙磁场相互作用便产生了电磁推力，如果初级是固定不动的，次级就能沿 着行波磁场运动的方向做直线运动。即可实现高速机床的直线电机直接驱动的进给方式，把 直线电机的初级和次级分别直接安装在高速机床的工作台与床身上。由于这种进给传动方式 的传动链缩短为 0,被称为机床进给系统的“零传动”。与“旋转伺服电机+滚珠丝杠传动方式相比较，直线电机直接驱动有以下优点：（1）高速度，目前最大进给速度可达 100200m/min。（2）高加速度，可高达 2g10g。（3）定位精度高，由于只能采用闭环控制，其理论定位精度可以为 0,但由于存在检测元 件安装、测量误差，实际

5、定位精度不可能为 0。最高定位精度可达 0.10.01m。（4）行程不受限制，由于直线电机的次级（定子）可以一段一段地铺在机床床身上，不论有多远，对系统的刚度不会产生影响。例如，美国 Cincinn atiMilacro n 公司为航空工业生产了一台 HyperMach 大型高速加工中心，主轴转速为 60000r/min，主电机功率为 80kW。直线 进给采用了直线电机，其轴行程长达 46m,工作台快速行程为 100m/min,加速度达 2g。在这种机床上加工一个大型薄壁飞机零件只需 30min;而同样的零件在一般高速铳床上加 工，费时 3h;在普通数控铳床上加工，则需 8h，优势相当明显1。

6、2 直线电机在数控机床的应用 现代数控机床经过半个世纪的发展，其加工速度和加工精度得到极大提高。其加工精度 从最初的 0.01mm 到现在的 1 呵,提高了 10000 倍，加工速度则从每分钟几十毫米提高 到每分钟几十米，提高了 1000 倍。机床技术水平的高速发展是机床自动化技术发展的结果，也是以 CNC 为代表的先进制造技术对传统机械制造业的渗透，从而形成的机电一体化产品 的结果2。数控机床采用直线电机驱动技术，克服了传统驱动方式的许多缺陷，获得了极高的性能 指标和优点。国外在高速加工中心上已广泛应用直线电机驱动，同时也应用到机床装备的各 个领域，使机床的各项性能大为提高。1993 年德国

7、 Ex cell O 公司在汉诺威国际机床博 览会上展出了世界上第一台应用直线电机驱动技术的 HSC 240 型超高速加工中心，该机 床最大快移速度为 60m/min。日本机床装备发展迅猛，高档机床大量采用直线电机驱动 技术。早在 1998 年第十九届 JIMTOF 上，就展出了 8 台直线电机作进给驱动的机床。在 2 002 年日本东京第二 一届 JIMTOF 机床展上 23 家公司展出了 41 台装有直线电机的数控 机床，包括加工中心 11台3。目前，采用直线电机驱动技术的机床是日本机床生产商供应 的主流实用机床。欧美西方工业大国的机床制造厂商也大量应用直线电机驱动技术，著名的 有 DMG

8、、Sodiek、Kings bury、Anorad、Jobs 和 ForestLine 等公司。在 2003 年的意 大利米兰 EMO2003 国际机床展上，直接驱动已经成为高性能机床的重要技术手段，会展 中德国 DMG公司展品多为直线电机驱动。大批高性能加工中心采用了直线电机直接驱动技 术。使用直线电机比用滚珠丝杆传动的成本已从 l0 年前的高 30%,降低到目前只高 15%20%,而且参展商普遍认为用户可以节省运行成本 20%以上，从而可以及时收回附加投资。JOBS 公司认为有一半以上的机床采用直线电机在技术上和经济上都是值得的 4。国内直线电机技术的研究始于 20 世纪 7O 年代，上海

9、电机厂、宁波大学、沈阳工业大 学、清华大学、国防科技大学、浙江大学、广东工业大学等高校都做了相关研究 5-6，但 未能实现真正应用到高速机床上，大推力、长行程的进给，不是真正意义上的应用在高速机 床上的直线电机进给单元。清华大学机械学系制造工程研究所研究的长行程永磁直线伺服单 元额定推力 1 500N，最高速度 60m/min，行程 600mm 7。沈阳工业大学研究的重点 摆在了永磁同步直线电动机的控制方式及伺服系统8;在 CIM T2003（中国国际机床展览 会）上，北京机电院高技术股份公司、江苏多棱数控机床股份有限公司展出了国产首批直线 电机驱动的立式加工中心（VS1250），其 X、Y

10、轴采用了直线电机，最大进给速度 60m/s。采用直线光栅尺反馈，全闭环控制，定位精度高，稳定性好。该加工中心采用了西门子 840D 系统，具有很高的可靠性与稳定性9。这些研究工作为直线电机技术在高速机床上的 应用发挥了积极作用。目前在我国机床行业中，应用直线电机进给系统的产品越来越多。在 CIMT2005 上，作为全球最大的切削机床制造商之一的 DWG公司，其产品中有 1/3 的采 用了直线电机驱动技术，展出的 DMC 75V linear精密立式加工中心所有进给轴都采用高 动力性能直线电机驱动，良好动态特性的基础是采用了高度稳驱动与传统数控机床旋转伺服电机滚珠丝杠的传动方式对比具有的巨大优势

11、介绍了直线电机进给驱动技术在数控机床上的几个应用实例指出直线电机进给驱动技术将是高速数控机床未来发展的方向引言随着航空航天汽车制造模具加要功能部件而直线电机进给系统彻底改变了传统的滚珠丝杠传动方式存在的弹性变形大响应速度慢存在反向间隙易损等先天性的缺点并具有速度高加速度大定位精度高行程长度不受限制等优点令其在数控机床高速进给系统领域逐渐的电磁类的现代先进的驱动技术主要由现代电磁类驱动器与现代控制系统组成它的驱动器包括传统改进型的电磁驱动器与新发展型的电磁驱动器它们中有旋转的直线的磁浮的电磁发射的等等除了在一般通用电机技术基础上改进获得定的龙门结构和经优化的高刚 度床身，加速度高达 2g,快移速

12、度 90m/min，从而可使生产率提高 20%，该系列加工 中心特别适合于模具加工10。2006 年，德国乙 mmermann 公司推出了直线驱动龙门铳 床 FZ38，直线电机驱动通过高 因素获得高水平的标准控制，使得即便是在高进给率的情 况下仍能保持非常小的拖曳距离和高定位精度11 oDMG 推出了 Sprint 65 直线驱动机床，在置轴上加速度达到 g,快移速度 40m/min12。在 2007 年 4 月的中国国际机床展(C IMT2007)上，直线电机的应用越来越广泛，杭州机床集团有限公司推出了国内首次使用 直线电机的平面磨床(MUGK7120X5)。全球领先的运动控制解决方案提供商

13、丹纳赫传动，在现场的研讨会中提到直接驱动电机近年来在国内外都得到了客户的广泛认可，它改变了原 有旋转电机加丝杠的结构，大大简化了机械的设计，提高了工作效率。3 总结与展望 直线电机驱动技术与数控机床制造的结合大大促进了世界制造业的发展，大大提高了加 工精度和加工效率。直线电机进给系统是一种能把电能直接转换成直线运动的机械能，且不 需要任何中间传动环节的驱动装置。它将传统的回转运动转变为直接的直线运动，因此机床 的速度、加速度、刚度、动态性能得到完全改观。通过采用直线电机驱动技术使得在高速移 动中获得高的定位精度成为现实，有效克服通过传统旋转电机进行驱动时，机械传动机构传 动链较长、体积大、效率

14、低、能耗高、精度差等缺点。所以，直线电机驱动技术将是高速数 控机床未来发展的方向。直线电机基础 直线电机也称线性电机，线性马达，直线马达 在实际工业应用中的稳定增长，证明直线电机可以放心的使用。下面简单介绍直 线电机类型和他们与旋转电机的不同 最常用的直线电机类型是平板式和 U 型槽式，和管式。线圈的典型组成是三相,有霍尔元件实现无刷换相 图示直线电机用 HALL 换相的相序和相电流 该图直线电机明确显示动子(forcer,rotor)的内部绕组 磁鉄和磁轨.动子是用环 氧材料把线圈压成的。而且，磁轨是把磁铁固定在钢上。直线电机在过去的 10 年,经实践上引人注目的增长和工业应用的显著受益才真

15、正 成熟。直线电机经常简单描述为旋转电机被展平，而工作原理相同。动子(forcer,rot or)是用环氧材料把线圈压缩在一起制成的 而且，磁轨是把磁铁(通常是高能量的稀 土磁铁)固定在钢上 电机的动子包括线圈绕组，霍尔元件电路板，电热调节器(温 度传感器监控温度）和电子接口。在旋转电机中，动子和定子需要旋转轴承支撑动子 以保证相对运动部分的气隙（air gap）。同样的，直线电机需要直线导轨来保持动子 在磁轨产生的磁场中的位置。和旋转伺服电机的编码器安装在轴上反馈位置一样，直 线电机需要反驱动与传统数控机床旋转伺服电机滚珠丝杠的传动方式对比具有的巨大优势介绍了直线电机进给驱动技术在数控机床上

16、的几个应用实例指出直线电机进给驱动技术将是高速数控机床未来发展的方向引言随着航空航天汽车制造模具加要功能部件而直线电机进给系统彻底改变了传统的滚珠丝杠传动方式存在的弹性变形大响应速度慢存在反向间隙易损等先天性的缺点并具有速度高加速度大定位精度高行程长度不受限制等优点令其在数控机床高速进给系统领域逐渐的电磁类的现代先进的驱动技术主要由现代电磁类驱动器与现代控制系统组成它的驱动器包括传统改进型的电磁驱动器与新发展型的电磁驱动器它们中有旋转的直线的磁浮的电磁发射的等等除了在一般通用电机技术基础上改进获得馈直线位置的反馈装置-直线编码器，它可以直接测量负载的位置从而 提高负载的位置精度。直线电机的控制

17、和旋转电机一样。象无刷旋转电机，动子和定子无机械连接（无 刷），不象旋转电机的方面，动子旋转和定子位置保持固定，直线电机系统可以是磁 轨动或推力线圈动（大部分定位系统应用是磁轨固定，推力线圈动）。用推力线圈运 动的电机，推力线圈的重量和负载比很小。然而，需要高柔性线缆及其管理系统。用 磁轨运动的电机，不仅要承受负载，还要承受磁轨质量，但无需线缆管理系统。相似的机电原理用在直线和旋转电机上。相同的电磁力在旋转电机上产生力矩在 直线电机产生直线推力作用。因此，直线电机使用和旋转电机相同的控制和可编程配 置。直线电机的形状可以是平板式和 U 型槽式，和管式 哪种构造最适合要看实际应用 的规格要求和工

18、作环境。圆柱形动磁休直线电机 圆柱形动磁体直线电机动子是圆柱形结构。沿固定着磁场的圆柱体运动。这种电 机是最初发现的商业应用但是不能使用于要求节省空间的平板式和 U 型槽式直线电 机的场合。圆柱形动磁体直线电机的磁路与动磁执行器相似。区别在于线圈可以复制 以增加行程。典型的线圈绕组是三相组成的，使用霍尔装置实现无刷换相。推力线圈 是圆柱形的，沿磁棒上下运动。这种结构不适合对磁通泄漏敏感的应用。必须小心操 作保证手指不卡在磁棒和有吸引力的侧面之间。管状直线电机设计的一个潜在的问题出现在，当行程增加，由于电机是完全圆柱 的而且沿着磁棒上下运动，唯一的支撑点在两端。保证磁棒的径向偏差不至于导致磁 体

19、接触推力线圈的长度总会有限制。U 型槽式直线电机 U 型槽式直线电机有两个介于金属板之间且都对着线圈动子的平行磁轨。动子 由导轨系统支撑在两磁轨中间。动子是非钢的，意味着无吸力且在磁轨和推力线圈之 间无干扰力产生。非钢线圈装配具有惯量小，允许非常高的加速度。线圈一般是三相 的，无刷换相。可以用空气冷却法冷却电机来获得性能的增强。也有采用水冷方式的。这种设计可以较好地减少磁通泄露因为磁体面对面安装在 U 形导槽里。这种设计也最 小化了强大的磁力吸引带来的伤害。这种设计的磁轨允许组合以增加行程长度，只局限于线缆管理系统可操作的长 度，编码器的长度，和机械构造的大而平的结构的能力。平板直线电机 有三

20、种类型的平板式直线电机（均为无刷）：无槽无铁芯，无槽有铁芯和有槽有 铁芯。选择时需要根据对应用要求的理解。无槽无铁芯平板电机是一系列 coils 安装在一个铝板上。由于 FOCER 没有铁芯,电机没有吸力和接头效应（与 U 形槽电机同）。该设计在一定某些应用中有助于延长 轴承寿命。动子可以从上面或侧面安装以适合大多数应用。这种电机对要求控制速度 平稳的应用是理想的。如扫描应用，但是平板磁轨设计产生的推力输出最低。通常，平板磁轨具有高的磁通泄露。所以需要谨慎操作以防操作者受他们之间和其他被吸材 料之间的磁力吸引而受到伤害。驱动与传统数控机床旋转伺服电机滚珠丝杠的传动方式对比具有的巨大优势介绍了直

21、线电机进给驱动技术在数控机床上的几个应用实例指出直线电机进给驱动技术将是高速数控机床未来发展的方向引言随着航空航天汽车制造模具加要功能部件而直线电机进给系统彻底改变了传统的滚珠丝杠传动方式存在的弹性变形大响应速度慢存在反向间隙易损等先天性的缺点并具有速度高加速度大定位精度高行程长度不受限制等优点令其在数控机床高速进给系统领域逐渐的电磁类的现代先进的驱动技术主要由现代电磁类驱动器与现代控制系统组成它的驱动器包括传统改进型的电磁驱动器与新发展型的电磁驱动器它们中有旋转的直线的磁浮的电磁发射的等等除了在一般通用电机技术基础上改进获得无槽有铁芯：无槽有铁芯平板电机结构上和无槽无铁芯电机相似。除了铁芯安

22、装 在钢叠片结构然后再安装到铝背板上，铁叠片结构用在指引磁场和增加推力。磁轨和 动子之间产生的吸力和电机产生的推力成正比，迭片结构导致接头力产生。把动子安 装到磁轨上时必须小心以免他们之间的吸力造成伤害。无槽有铁芯比无槽无铁芯电机 有更大的推力。无槽有铁芯：这种类型的直线电机，铁心线圈被放进一个钢结构里以产生铁芯线 圈单元。铁芯有效增强电机的推力输出通过聚焦线圈产生的磁场。铁芯电枢和磁轨之 间强大的吸引力可以被预先用作气浮轴承系统的预加载荷。这些力会增加轴承的磨 损，磁铁的相位差可减少接头力。小结 在实用的的和买的起的直线电机出现以前，所有直线运动不得不从旋转机械通过 使用滚珠或滚柱丝杠或带或

23、滑轮转换而来。对许多应用，如遇到大负载而且驱动轴是 竖直面的。这些方法仍然是最好的。然而，直线电机比机械系统比有很多独特的优势，如非常高速和非常低速，高加速度，几乎零维护（无接触零件），高精度，无空回。完成直线运动只需电机无需齿轮，联轴器或滑轮，对很多应用来说很有意义的，把那 些不必要的，减低性能和缩短机械寿命的零件去掉了。直线步进电机选型指南 2009 年 2 月 21 日 以下是中国步进电机网对步进电机驱动系统所做的较为完整的表述：1、系统常识：步进电机和步进电机驱动器构成步进电机驱动系统。步进电机驱动系统的性能，不但取决于步进电机自身 的性能，也取决于步进电机驱动器的优劣。对步进电机驱动

24、器的研究几乎是与步进电机的研究同步进行的。2、系统概述：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号（来自控制器），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 步运行的。3、系统控制：步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电机驱动器）。控制器（脉 冲信号发生器）可以通过控制脉冲的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。4、用途:步进电机是一种控制用的特种电机，作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一

25、，随着微电子和计算机 技术的发展（步进电机驱动器性能提高），步进电机的需求量与日俱增。步进电机在运行中精度没有积累 误差的特点，驱动与传统数控机床旋转伺服电机滚珠丝杠的传动方式对比具有的巨大优势介绍了直线电机进给驱动技术在数控机床上的几个应用实例指出直线电机进给驱动技术将是高速数控机床未来发展的方向引言随着航空航天汽车制造模具加要功能部件而直线电机进给系统彻底改变了传统的滚珠丝杠传动方式存在的弹性变形大响应速度慢存在反向间隙易损等先天性的缺点并具有速度高加速度大定位精度高行程长度不受限制等优点令其在数控机床高速进给系统领域逐渐的电磁类的现代先进的驱动技术主要由现代电磁类驱动器与现代控制系统组成

26、它的驱动器包括传统改进型的电磁驱动器与新发展型的电磁驱动器它们中有旋转的直线的磁浮的电磁发射的等等除了在一般通用电机技术基础上改进获得使其广泛应用于各种自动化控制系统，特别是开环控制系统。5、步进电机按结构分类：步进电机也叫脉冲电机，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）等。（1）反应式步进电机：也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电机。其定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布的大磁极上装 有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输岀（消耗功率较大，电流最高可达 20A，驱动电压较高）；步

27、距角小（最小可做到 六分之一度）；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长；启 动和运行频率较高。（2）永磁式步进电机：通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和槽，通 电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。一般为两相或四相；输岀转矩小（消耗功率较小，电 流一般小于2A，驱动电压 12V）;步距角大（例如 7.5 度、15 度、22.5 度等）；断电时具有一定的保持 转矩；启动和运行频率较低。（3）混合式步进电机：也叫永磁反应式、永磁感应式步进电机，混合了永磁式和反应式的优点。其定子和四相反应式步进电机没 有

28、区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕组产生的 N、S 极性必须相同），转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和槽）。一般为两相或四相；须供给正负脉 冲信号；输岀转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁式小（一般为 1.8 度）；断电时无定 位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电机。6、步进电机按工作方式分类：可分为功率式和伺服式两种。（1）功率式：输岀转矩较大，能直接带动较大负载（一般使用反应式、混合式步进电机）。（2）伺服式：输岀转矩较小，只能带动较小负载（一般使用永磁式、混合式步进电机）。7、步进电机的选择：（1）首先选择类型

29、，其次是具体的品种与型号。（2）反应式、永磁式和混合式三种步进电机的性能指标、外形尺寸、安装方法、脉冲电源种类和控制电路 等都不同，价格差异也很大，选择时应综合考虑。（3）具有控制集成电路的步进电机应优先考虑。8、步进电机的基本参数：（1）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。电机岀厂时给岀了一个步距角的值，如 86BYG250A 型电机给岀的值为 0.9 /1.8 （表示半步工作时为、整步工作时为.8），这个步距角可 以称之为电机固有步距角，它不一定是电机工作时的实际步距角，实际步距角和驱动器有关。（2）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

30、、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/1.5、五相的为/0.72 步进电机增加 驱动与传统数控机床旋转伺服电机滚珠丝杠的传动方式对比具有的巨大优势介绍了直线电机进给驱动技术在数控机床上的几个应用实例指出直线电机进给驱动技术将是高速数控机床未来发展的方向引言随着航空航天汽车制造模具加要功能部件而直线电机进给系统彻底改变了传统的滚珠丝杠传动方式存在的弹性变形大响应速度慢存在反向间隙易损等先天性的缺点并具有速度高加速度大定位精度高行程长度不受限制等优点令其在数控机床高速进给系统领域逐渐的电磁类的现代先进的驱动技术主要由现代电磁

31、类驱动器与现代控制系统组成它的驱动器包括传统改进型的电磁驱动器与新发展型的电磁驱动器它们中有旋转的直线的磁浮的电磁发射的等等除了在一般通用电机技术基础上改进获得相数能提高性能，但步进电机的结构和驱动电源都会更复杂，成本也会增加。(3)保持转矩(HOLDING TORQUE)：也叫最大静转矩，是在额定静态电流下施加在已通电的步进电机转轴上而不产生连续旋转的最大转矩。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，输岀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

32、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)步距精度：可以用定位误差来表示，也可以用步距角误差来表示。(5)矩角特性：步进电机的转子离开平衡位置后所具有的恢复转矩，随着转角的偏移而变化。步进电机静转矩与失调角的 关系称为矩角特性。(6)静态温升：指电机静止不动时，按规定的运行方式中最多的相数通以额定静态电流，达到稳定的热平衡状态时的温升。(7)动态温升：电机在某一频率下空载运行，按规定的运行时间进行工作，运行时间结束后电机所达到的温升叫动态温升。(8)转矩特性：它表示电机转矩和单相通电时励磁电流的关系。(9)启动矩频特性：启动频率与负载转矩的关系称为启动矩频特性。

33、(10)运行矩频特性/惯频特性：略(11)升降频时间：指电机从启动频率升到最高运行频率或从最高运行频率降到启动频率所需的时间。(12)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，容易产生误解；反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有 DETENT TORQUEo 9、步进电机的一些特点：(1)步进电机没有积累误差：一般步进电机的精度为实际步距角的百分之三到五，且不累积。(2)步进电机在工作时，脉冲信号按一定顺序轮流加到各相绕组上(由驱动器内的环形分配器控制绕组通 断电的方式)。(3)即使是同一台步进电机，

34、在使用不同驱动方案时，其矩频特性也相差很大。(4)步进电机与其它电动机不同，其标称额定电压和额定电流只是参考值；又因为步进电机是以脉冲方式 供电，电源电压是其最高电压，而不是平均电压，所以，步进电机可以超出其额定值范围工作。但选择时 不应偏离额定值太远。(5)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。（6）步进电机的力矩会随转速的升高而

35、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 致力矩驱动与传统数控机床旋转伺服电机滚珠丝杠的传动方式对比具有的巨大优势介绍了直线电机进给驱动技术在数控机床上的几个应用实例指出直线电机进给驱动技术将是高速数控机床未来发展的方向引言随着航空航天汽车制造模具加要功能部件而直线电机进给系统彻底改变了传统的滚珠丝杠传动方式存在的弹性变形大响应速度慢存在反向间隙易损等先天性的缺点并具有速度高加速度大定位精度高行程长度不受限制等优点令其在数控机床高速进给系统领域逐渐的电磁类的现代先进的驱动技术主要由现

36、代电磁类驱动器与现代控制系统组成它的驱动器包括传统改进型的电磁驱动器与新发展型的电磁驱动器它们中有旋转的直线的磁浮的电磁发射的等等除了在一般通用电机技术基础上改进获得下降。（7）步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定频率就无法启动，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）。（8）四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱

37、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低的场合使用，此时需要的驱动器输岀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 输岀电流为电机相电流的 1.4 倍，因而电机发热较大。（9）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。（10）供电电源

38、电流一般根据驱动器的输岀相电流 I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取 I的 1.11.3 倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取 I的 1.52.0 倍。（11）当脱机信号 FREE 为低电平时，驱动器输岀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。（12）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。10、步进电机

39、驱动器的一些特点：（1）构成步进电机驱动器系统的专用集成电路：A、脉冲分配器集成电路：如三洋公司的 PMM8713、PMM8723、PMM8714 等。B、包含脉冲分配器和电流斩波的控制器集成电路：如 SGS 公司的 L297、L6506 等。C、只含功率驱动（或包含电流控制、保护电路）的驱动器集成电路：如日本新电元工业公司的 MTD1110（四相斩波驱动）和 MTD2001（两相、H 桥、斩波驱动）。D、将脉冲分配器、功率驱动、电流控制和保护电路都包括在内的驱动控制器集成电路，如东芝公司的 TB6560AHQ、MOTOROLA 公司的 SAA1042（四相）和 ALLEGRO 公司的 UCN

40、5804（四相）等。（2）“细分驱动”概述：概念：将“电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通过驱动器精确控制步进电机 的相电流实现的，与电机本身无关。其原理是，让定子通电相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一 次降为 0（绕组电流波形不再是近似方波，而是 N 级近似阶梯波），则定子绕组电流所产生的磁场合力，会使转子有 N 个新的平衡位置（形成 N 个步距角）。最新技术发展：国内外对细分驱动技术的研究十分活跃，高性能的细分驱动电路，可以细分到上千甚至任意细分。目前已 经能够做到通过复杂的计算使细分后的步距角均匀一致，大大提高了步进电机的脉冲分辨率，减小或消除 了震荡、

41、噪声和转矩波动，使步进电机更具有“类伺服”特性。对实际步距角的作用：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对步距角的 要求。驱动与传统数控机床旋转伺服电机滚珠丝杠的传动方式对比具有的巨大优势介绍了直线电机进给驱动技术在数控机床上的几个应用实例指出直线电机进给驱动技术将是高速数控机床未来发展的方向引言随着航空航天汽车制造模具加要功能部件而直线电机进给系统彻底改变了传统的滚珠丝杠传动方式存在的弹性变形大响应速度慢存在反向间隙易损等先天性的缺点并具有速度高加速度大定位精度高行程长度不受限制等优点令其在数控机床高速进给系统领域逐渐的电磁类的现代先进的驱动技术主要由现代电磁类驱动

42、器与现代控制系统组成它的驱动器包括传统改进型的电磁驱动器与新发展型的电磁驱动器它们中有旋转的直线的磁浮的电磁发射的等等除了在一般通用电机技术基础上改进获得如果使用细分驱动器，则用户只需在驱动器上改变细分数，就可以大幅度改变实际步距角，步进电 机的相数对改变实际步距角的作用几乎可以忽略不计。采用细分技术与步进电机精度提高的关系：步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，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。细分后电机运转 时对每一个脉冲的分辨率提高了，但运转精度能否达到或接近脉冲分辨率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

43、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。真正的细分对驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求，成本亦会较高。国内有一些驱动器采用对电机相 电流进行“平滑”处理来取代细分，属于“假细分”，“平滑”并不产生微步，会引起电机力矩的下降。真正的细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加。生产厂家对步进电机驱动系统的通俗表述如下：步进电机是一个把电脉冲转换成离散的机械运动的装置，与其匹配的驱动器共同组成一个可控的步进电 机运动系统，具有良好的数据控制特性。在接受来自控制器（PLC、单片机等可编程处理器）的工作指令（开关脉冲信号）时，其驱动器依据工作指令向定子绕组有序励磁，使定子内

44、部建立一个实时响应的脉动 的、非连贯性变化的磁场，并作用于周边带有很多小齿的转子，使转子产生旋转运动，即施加 一个脉冲，马达转动一步。在理想的情况下，其转子旋转的速度、累计旋转角度完全同步于控制器输入的脉冲频率及 脉冲数，因而，只需在规定的时间内向步进电机运动系统提供有效的工作指令，转子将会被准确地驱动到 设定的角度位置，在进一步的工作指令到来之前，始终保持在该位置。步进电机的双向驱动、固有的刹车制动性能、可适当调整的输出扭矩、功率控制、精确的位置度、高分 辨率、良好的数字交互界面，且仅采用开环控制即能达到良好的使用效果等是其显著的优势。而且与伺服 系统比较，其单位体积输出功率大、转动惯量小、

45、无漂流及起动峰涌现象、无位置累积误差等良好优点，是一种成本低廉的数字控制类电机。正由于具备以上固有的优点，在众多领域已奠定了其应用地位，并被广泛应用于需要控制旋转角度、速 度、位置和同步性的诸多领域，如办公室自动化、安防、医疗设备，纺织品机器、舞台灯光、贩卖机与售 票机，机械自动化等。选用步进电机时应注意以下几点：1、一般应选用力矩比实际需要大百分之五十到百分之百的步进电机，因为步进电机不能过负载运行，即便 是瞬间过载都可能造成失步、停转或不规则原地来回作动。2、上位控制器输入的脉冲电流必须够大（一般要10mA），以确保光电耦合器稳定导通，否则会导致步 进电机失步；如果输入脉冲频率过高，会因个

46、别脉冲接收不到，导致步进电机失步。3、启动频率不应太高，应在启动程序中设置加速过程，即从规定的启动频率开始，加速到设定频率，否则 就可能不稳定，甚至处于惰态。4、电机如果未固定好，造成强烈共振，也会导致步进电机失步。5、应了解步进电机的固有弱点：输入脉冲频率过高，易导致丢步；输入脉冲频率过低，易出现共振；转速 偏高时扭矩降低明显。6、应了解最新型步进电机的性能，必要时选用采用了最新控制技术的高级步进电机系统，高级系统既可以 使步进电机在高速状态下减少共振，还能运用减少步进电机反电动势的技术，增加电机在高速状态下的扭 矩。驱动与传统数控机床旋转伺服电机滚珠丝杠的传动方式对比具有的巨大优势介绍了直线电机进给驱动技术在数控机床上的几个应用实例指出直线电机进给驱动技术将是高速数控机床未来发展的方向引言随着航空航天汽车制造模具加要功能部件而直线电机进给系统彻底改变了传统的滚珠丝杠传动方式存在的弹性变形大响应速度慢存在反向间隙易损等先天性的缺点并具有速度高加速度大定位精度高行程长度不受限制等优点令其在数控机床高速进给系统领域逐渐的电磁类的现代先进的驱动技术主要由现代电磁类驱动器与现代控制系统组成它的驱动器包括传统改进型的电磁驱动器与新发展型的电磁驱动器它们中有旋转的直线的磁浮的电磁发射的等等除了在一般通用电机技术基础上改进获得