摘要　回顧了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)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(yīng)用電流型驅(qū)動(dòng)技術(shù)統(tǒng)一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)，首次提出了分?jǐn)?shù)通電狀態(tài)數(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，為統(tǒng)一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的齒數(shù)和結(jié)構(gòu)類型提供了基礎(chǔ)，提高主流產(chǎn)品的通用性，逐步盡量多地替代其它相數(shù)、轉(zhuǎn)子齒數(shù)的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，簡化產(chǎn)品的格局，有利于技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展。 關(guān)鍵詞：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)　混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)　產(chǎn)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(jìn)電動(dòng)機(jī)問世以后，很快確定了自己的應(yīng)用場合，為開環(huán)高分辨率的定位系統(tǒng)，工業(yè)應(yīng)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(chǎn)品［1］，而且已經(jīng)發(fā)展成為除直流和交流電機(jī)外的第三大類電動(dòng)機(jī)產(chǎn)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(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的總體來看，最為突出的問題是規(guī)格品種繁雜，從結(jié)構(gòu)類型上主要是永磁（混合）和磁阻式兩大類；相數(shù)則有2、3、4、5、6、8、9相等多種，與各種不同轉(zhuǎn)子齒數(shù)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(jī)座號(hào)，目前國內(nèi)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(gè)機(jī)座號(hào)的電機(jī)有不同的鐵心疊長，不同的電壓、電流和繞組匝數(shù)，不同的軸伸和安裝尺寸等，其規(guī)格品種之復(fù)雜可想而知。這種狀態(tài)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)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(chǎn)管理復(fù)雜化；③不易形成批量生產(chǎn)，使生產(chǎn)成本增加；④分散了財(cái)力和人力不利于產(chǎn)品的完善和改進(jìn)；⑤配套的驅(qū)動(dòng)器的生產(chǎn)也復(fù)雜化，同樣不利于發(fā)展；⑥也使應(yīng)用和技術(shù)服務(wù)復(fù)雜化。 任何一種產(chǎn)品大概都有一個(gè)從復(fù)雜到簡單的發(fā)展過程，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)約30年來的發(fā)展，也已經(jīng)逐步形成了自己的主流產(chǎn)品，在西方國家，可明顯看出最大量應(yīng)用的是定子8極轉(zhuǎn)子50齒的二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其次是定子10極轉(zhuǎn)子50齒的五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)被認(rèn)為有較高運(yùn)行性能指標(biāo)而廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化的場合［2］。 我國步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展有自己的特點(diǎn)，80年代以前一直以磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為主，70年代末形成的系列產(chǎn)品以定子6極轉(zhuǎn)子40齒的三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為主。另外有定子10極轉(zhuǎn)子100齒的五相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和其他的品種。80年代開始發(fā)展混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，也是以定子8極轉(zhuǎn)子50齒的二相（四相）混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為主，1987年開始生產(chǎn)定子10極轉(zhuǎn)子50齒的五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，同時(shí)還發(fā)展了一些不同于國外的產(chǎn)品，例如定子8極轉(zhuǎn)子60個(gè)齒的二相（四相）混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)子100齒的三相、九相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)子200齒的五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。這就使得我國步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品形成特別混雜的局面，對(duì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展很不利。認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，找出有效的辦法來改變這種局面，對(duì)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是很重要和有利的，本文從技術(shù)的角度，探討加速統(tǒng)一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的途徑。 2　運(yùn)用微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)統(tǒng)一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù) 屬于增量運(yùn)動(dòng)控制器件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在應(yīng)用微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)以后，它的分辨率可以提高，在必要時(shí)可以很高，達(dá)到接近連續(xù)運(yùn)動(dòng)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(qū)動(dòng)技術(shù)的主要目標(biāo)。 微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)是一種電流波形控制技術(shù)，在通常的驅(qū)動(dòng)器中，僅對(duì)相繞組的電流進(jìn)行通斷控制，在轉(zhuǎn)子齒數(shù)一定的條件下增加相數(shù)才能增加電動(dòng)機(jī)的分辨率。例如五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)比二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)增加了相數(shù)，提高了分辨率，許多運(yùn)行性能得到提高，成為一個(gè)獨(dú)立的系列產(chǎn)品。采用電流波形控制技術(shù)后，二相電動(dòng)機(jī)只要增加電流波形的階梯數(shù)，就可以提高分辨率［2,3］要達(dá)到與五相電動(dòng)機(jī)一樣的分辨率也很方便。這就給統(tǒng)一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)提供了基礎(chǔ)［4］。 德國BL公司原生產(chǎn)五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，1994年他們的五相電動(dòng)機(jī)專利期滿以后，推出了新的三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系列，是定子6極轉(zhuǎn)子50齒的結(jié)構(gòu)。配套電流型驅(qū)動(dòng)器，每轉(zhuǎn)步數(shù)為200、400、1000、2000和2000、4000、10000、20000，可看出它兼有通常二相電機(jī)和五相電機(jī)的分辨率，還可以在此基礎(chǔ)上增高到10倍（十細(xì)分）。應(yīng)該說，這是一種很好的設(shè)計(jì)方案，它充分運(yùn)用了電流型驅(qū)動(dòng)技術(shù)的功能，讓統(tǒng)一的三相電動(dòng)機(jī)系列可以同時(shí)適合原有二相和五相電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用場合。 用三相電動(dòng)機(jī)來取代原來生產(chǎn)的五相電動(dòng)機(jī)，且采用更為普及的三相功率器件，驅(qū)動(dòng)器的成本會(huì)下降，同時(shí)具有二相電動(dòng)機(jī)的分辨率，適應(yīng)性加強(qiáng)，從公司的角度來看是很有效益的，可是從整個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)的角度，以及從產(chǎn)品發(fā)展由復(fù)雜到簡單這個(gè)規(guī)律的角度看卻不見得最好。因?yàn)橛迷撊嘞到y(tǒng)來取代現(xiàn)有的廣泛應(yīng)用的二相電動(dòng)機(jī)顯然是不現(xiàn)實(shí)的，因此只能是在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本來復(fù)雜的產(chǎn)品格局中，逐步向以二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為主，輔之以五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品格局發(fā)展的過程中，反而增加出一個(gè)三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系列，至少從總體來看沒有前進(jìn)的感覺。 如果以二相電動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，采用電流型驅(qū)動(dòng)器，讓它同時(shí)具有五相電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)則還有一定的工作要做。 作者將原生產(chǎn)的86BH250B型二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，采用電流型驅(qū)動(dòng)器，作了一些初步的研究，與原有產(chǎn)品90BH550B型五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，配以恒總流驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)相比較。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)比情況如下： （1）外型尺寸如圖1所示，二種電機(jī)軸向長度基本一致，直徑二相電機(jī)稍小一些。 圖1　外形尺寸的對(duì)比 （a）86BH250B型�。╞）90BH550B型 Fig.1　Comparison of outline dimensions （2）保持轉(zhuǎn)矩特性如圖2所示，二種電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩基本相近，在同樣額定電流3A時(shí)，二相電動(dòng)機(jī)稍大一些。 圖2　樣機(jī)保持轉(zhuǎn)矩實(shí)驗(yàn)曲線 （a）86BH250B型�。╞）90BH550B型 Fig.2　Measured holding torque of sample motors （3）牽出轉(zhuǎn)矩特性如圖3所示，在較低頻段（≤2000pps）,二相電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩稍高一些，在頻率較高時(shí)則比五相電動(dòng)機(jī)的 圖3　樣機(jī)牽出特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （a）86BH250B型�。╞）90BH550B型 Fig.3　Measured pullout torque of sample motors （4）定位轉(zhuǎn)矩。實(shí)測五相電動(dòng)機(jī)TD5=0.1N.m，二相電動(dòng)機(jī)TD2=0.15N.m，為同一數(shù)量級(jí)。 （5）步距精度［5］。一轉(zhuǎn)范圍內(nèi)步距角的實(shí)測結(jié)果如圖4所示，可看出二種電機(jī)步距誤差相近。 圖4　樣機(jī)步距角實(shí)驗(yàn)曲線 Fig.4　Measured step angle of sample motors （6）單步響應(yīng)特性［6,7］。恒流驅(qū)動(dòng)的五相電機(jī)半步方式時(shí)有明顯的輕重步現(xiàn)象；二相電機(jī)20狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，有五步一循環(huán)的特點(diǎn)，但較為均勻。 （7）振動(dòng)特性［8］。圖5示二相電機(jī)初步改進(jìn)后的振動(dòng)特性，除了低頻和中頻段尚有需要進(jìn)一步改進(jìn)之處，此外，運(yùn)行都很平穩(wěn)。 圖5　初步改進(jìn)后二相20狀態(tài)振動(dòng) 特性實(shí)測曲線（86BH250B） Fig.5　Measured vibration characteristic of two-phase motor operating at twenty logic-states 8）驅(qū)動(dòng)器。二相電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器比五相電動(dòng)機(jī)的成本有所降低。 以上對(duì)比表明，讓86BH250B型二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)20狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，可以替代90BH550B型五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，且有更高的性能價(jià)格比。實(shí)踐表明了能為用戶所接受并感到滿意，再做一些仔細(xì)的完善工作，情況會(huì)更好。 3　統(tǒng)一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)齒數(shù)的研究 用一個(gè)具體例子來說明這個(gè)問題：我國在70年代發(fā)展了自己的磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系列產(chǎn)品，有較好的性能指標(biāo)。在1983年開始發(fā)展經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床時(shí)采用了定子6極轉(zhuǎn)子80個(gè)齒的110BF003型磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，半步方式運(yùn)行時(shí)步距角為0.75°，為了發(fā)展我國的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，不得不設(shè)計(jì)了一種定子8極轉(zhuǎn)子60齒的110BYG001型（110BH260）二相（四相）混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，安裝尺寸與磁阻式電動(dòng)機(jī)一樣，性能指標(biāo)則稍高一些，這種電動(dòng)機(jī)于1986年開始生產(chǎn)后占領(lǐng)了一定的應(yīng)用市場。它與主流產(chǎn)品110BH250型電動(dòng)機(jī)相差不多，可是又不能替代，制造廠家如果不生產(chǎn)這種產(chǎn)品就不能滿足用戶的需要，要求用戶改變已經(jīng)定型的整機(jī)結(jié)構(gòu)是很難的，制造廠家生產(chǎn)這種電機(jī)使規(guī)格品種增加，是一種不得已的事情。 微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)是控制電流波形為正弦階梯波，一個(gè)齒距為一個(gè)周期，一個(gè)周期內(nèi)的階梯數(shù)便是通電狀態(tài)數(shù)n1，通常電流波形正負(fù)半波對(duì)稱，所以n1為偶數(shù)步距角， n1=2k　　k=2,3,4,5,…�。�1） （2） 轉(zhuǎn)子齒數(shù)Zr=50的電動(dòng)機(jī)，齒距角θt=7.2°，步距角為 （3） 可見，得不出60齒電動(dòng)機(jī)0.75°/1.5°的步距角。 本文提出一種“分?jǐn)?shù)通電狀態(tài)數(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)”可解決上述困難，仍舊是采用電流型驅(qū)動(dòng)器，應(yīng)用電流波形控制技術(shù)，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(gè)齒距內(nèi)有整數(shù)個(gè)階梯，只要求在若干個(gè)齒距內(nèi)有整數(shù)個(gè)階梯，在有限齒距數(shù)范圍內(nèi)形成循環(huán)就可以。 仍以上述例子為例，0.75°的步距角，對(duì)Zr=50的電動(dòng)機(jī)來說，對(duì)應(yīng)的電角度為 θbe=Zrθb=50×0.75°=37.5°電角度 （4） 只要讓二相電動(dòng)機(jī)的電流按照 （5） 的階梯波形變化時(shí)，合成電流或合成轉(zhuǎn)矩的相量隨著階梯（k1值）變化按圖6所示相量的順序變化�？梢钥闯鱿噜徬嗔块g的平角為37.5°電角度，對(duì)應(yīng)的機(jī)械角即為0.75°，也就是說，在Zr=50的電動(dòng)機(jī)上，獲得與Zr=60電動(dòng)機(jī)一樣的步距角，只是一個(gè)齒距不是步距角的整倍數(shù)。 圖6　合成電流或合成轉(zhuǎn)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(shù)，一般為整數(shù)，而且都是偶數(shù)，這里則是一個(gè)小數(shù)，所以稱為“分?jǐn)?shù)通電狀態(tài)數(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)”。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的邏輯通電狀態(tài)必需形成循環(huán)，才能保證電動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，不能以一個(gè)齒距為循環(huán)周期，以幾個(gè)齒距為循環(huán)周期也不要緊，如上述例子，經(jīng)五個(gè)齒距可形成循環(huán)，因此它的實(shí)際通電狀態(tài)數(shù)是五個(gè)齒距內(nèi)的步距數(shù)。 可以看出，運(yùn)用所提出的分?jǐn)?shù)通電狀態(tài)數(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，按式（5）來設(shè)定電流波形，就可以得到任意要求的步距角。只要在有限數(shù)的齒距內(nèi)能形成循環(huán)，這種步距角的驅(qū)動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)。為統(tǒng)一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的齒數(shù)提供了基礎(chǔ)。 4　關(guān)于磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 在國外，混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開始時(shí)一起發(fā)展，已逐步發(fā)展成以混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為主流的格局。在我國則不同，一直以磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為主，在這方面做的工作較多，為廣大國內(nèi)用戶所熟悉，混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器技術(shù)及生產(chǎn)的發(fā)展，性能不斷提高，成本有所下降，從性能價(jià)格比的角度應(yīng)能為更多的人所接受。但是要為原有磁阻式電動(dòng)機(jī)用戶接受的較大障礙是步距角不兼容。 如前所述，1986年時(shí)不得不設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)子60齒的二相（四相）混合式電動(dòng)機(jī)，去取代轉(zhuǎn)子80齒的三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，就是為了達(dá)到步距角兼容的目的。我國磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以轉(zhuǎn)子40齒的三相為主，用二相50齒的混合式電動(dòng)機(jī)，按照一般微步驅(qū)動(dòng)的概念，做不到步距角的兼容�，F(xiàn)在按照所提出的分?jǐn)?shù)通電狀態(tài)數(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)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(jié)論 （1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品由于結(jié)構(gòu)類型、相數(shù)、極數(shù)和齒數(shù)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(chǎn)品方向邁進(jìn)，有利于技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，符合事物的客觀規(guī)律。 （2）縱觀步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)展的歷史及現(xiàn)狀，以轉(zhuǎn)子50齒的二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為主體，提高它的通用性，逐步盡量多地替代其他相數(shù)、轉(zhuǎn)子齒數(shù)的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，是最為現(xiàn)實(shí)的途徑。 （3）電流型驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，為統(tǒng)一混合式電動(dòng)機(jī)的相數(shù)提供了基礎(chǔ)。初步的實(shí)踐表明，用二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)取代五相電動(dòng)機(jī)是切實(shí)可行的。 （4）本文提出的分?jǐn)?shù)通電狀態(tài)數(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使得轉(zhuǎn)子50齒的二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)幾乎可以按所有要求的任何值的步距角運(yùn)行，使得與其他轉(zhuǎn)子齒數(shù)（如Zr=60）的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角兼容成為可能。 作者簡介：程　智　1970年生，博士學(xué)位，現(xiàn)為浙江大學(xué)博士后，主要從事步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行理論及驅(qū)動(dòng)技術(shù)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(xué)　150001） 　　　　　程　智�。ㄕ憬髮W(xué)　310027） 　　　　　任　雷　（清華大學(xué)　100084） 參考文獻(xiàn) 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(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究（一），電工技術(shù)雜志，1998 （3） 3　王宗培，任雷等.混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究（二），電工技術(shù)雜志，1998 （4） 4　王宗培，程智，任雷.統(tǒng)一混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相數(shù)的研究.第六屆全國永磁電機(jī)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，吉林，1998，94～104 5　王宗培，鄭大鵬，王英.一種新的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距精度測試系統(tǒng).微電機(jī)，1994（4）：32～34 6　王宗培，鄭大鵬等.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單步響應(yīng)特性的測試.電工技術(shù)雜志，1994（1）：24～26 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