步进电机与开关磁阻电机

开关磁阻电机：

开关磁阻电动机驱动系统（SRD）是较为复杂的机电一体化装置，SRD的运行需要在线实时检测的反馈量一般有转子位置、速度及电流等，然后根据控制目标综合这些信息给出控制指令，实现运行控制及保护等功能。转子位置检测环节是SRD的重要组成部分，检测到的转子位置信号是各相主开关器件正确进行逻辑切换的根据，也为速度控制环节提供了速度反馈信号。

开关磁阻电机具有再生的能力，系统效率高：

对开关磁阻电机的理论研究和实践证明，该系统具有许多显著的优点：

（1）电机结构简单、坚固，制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速；定子线圈嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。

（2）损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，可允许有较高的温升。

（3）转矩方向与电流方向无关，从而可最大限度简化功率变换器，降低系统成本。

（4）功率变换器不会出现直通故障，可靠性高。

（5）起动转矩大，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象。

（6）调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩－速度特性。

（7）在宽广的转速和功率范围内都具有高效率

（8）能四象限运行，具有较强的再生制动能力。

（9）容错能力强。开关磁阻电机的容错体现在电机某一相损坏，电机照样可以运行。

开关磁阻电机的应用：

近年来，开关磁阻电机的应用和发展取得了明显的进步，已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域，功率范围从10W到5MW，最大速度高达100000 r/min。

开关磁阻电机电动车应用

开关磁阻电机最初的应用领域就是电动车。目前电动摩托车和电动自行车的驱动电机主要有永磁无刷及永磁有刷两种，然而采用开关磁阻电机驱动有其独特的优势。当高能量密度和系统效率为关键指标时，开关磁阻电机变为首选对象。

SRD开关磁阻电机驱动系统的电机结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制。这些特点使SRD开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行，是电动车辆中极具有潜力的机种。SRD的最大特点是转矩脉动大，噪声大；此外，相对永磁电机而言，功率密度和效率偏低；另一个缺点是要使用位置传感器，增加了结构复杂性，降低了可靠性。因此无传感器的SRD也是未来的发展趋势之一。其优点主要表现在以下几个方面：

（1）开关磁阻电机不仅效率高，而且在很宽的功率和转速范围内都能保持高效率，这是其它类型驱动系统难以达到的。这种特性对电动车的运行情况尤为适合，有利于提高电动车的续驶里程。

（2）开关磁阻电机很容易通过采用适当的控制策略和系统设计满足电动车四象限运行的要求，并且还能在高速运行区域保持强有力的制动能力。

（3）开关磁阻电机有很好的散热特性，从而能以小的体积取得较大的输出功率，减小电机体积和重量。

（4）通过调整开通角和关断角，开关磁阻电机完全可以达到它激直流电机驱动系统良好的控制特性，而且这是一种纯逻辑的控制方式，很容易智能化，从而能通过重新编程或替换电路元件，方便地满足不同运行特性的要求。

（5）开关磁阻电机无论电机还是功率变换器都十分坚固可靠，无需或很少

需要维护，适用于各种恶劣、高温环境，具有良好的适应性。

开关磁阻电机纺织工业应用

近十多年来我国纺织机械行业的机电一体化水平有了较明显的提高，在新型纺织机械上普遍采用了机电一体化技术。这项技术的内容包含了先进的信息处理和控制技术，即以计算机为核心，有PLC、工控机、单片机、人机界面、现场总线等组成的控制系统；先进的驱动技术，有变频调速，交流伺服，步进电机等；检测传感技术和执行机构；精密机械技术等。棉纺织设备较有代表性的机电一体化产品，例如新型的粗纱机、分条整经机、浆纱机等。其中，

无梭织机的主传动技术也有了新的突破：采用开关磁阻电机作为无梭织机的主传动带来许多好处，减少传动齿轮、不用皮带和皮带盘，不用电磁离合器和刹车盘，不用寻纬电机，减少了这些机械结构直接的减小了转动惯量，减小能耗。同时因为开关磁阻电机的能量转化效率高，能使织机节能10%等优点，国内已有开关磁阻电机和驱动器的产品（北京中纺机电研究所，目前还在与无梭织机主机厂合作，共同开发应用技术，希望能尽快取得成功，填补国内空白）。而浙江中自机电控制技术有限公司，目前已经研发成功开关磁阻电机的驱动系统，成功运用于无梭织机上，在主机厂运转性能良好，达到国际先进水平。

开关磁阻电机在风电行业的应用

普通的发电机，如如异步发电机、感应发电机、永磁发电机要输出固定电压，其转速也须固定。而风速是时刻变化的，所以风轮机的转速必须固定不变，导致网通利用效率低下。显然，如果使用变速发电机就能提高风能利用效率（即变速恒频发电

系统），而开关磁阻电机正满足了这样的要求。

开关磁阻发电机用于风力发电有如下优势“

1、可以方便的发出电压恒定的直流电，尤其对于它励方式，输出电压直接由励磁电压决定，而与转速无关。在自励方式下，也可以通过自身的控制器实现电压恒定。

2、开关磁阻发电机结构简单，转子上无刷、无绕阻、无永久磁体，因此成本低廉；不存在铜耗，发电效率高；同时转子的转动惯量小，启动转矩低，动态响应好。低频时不会出现像变频供电的感应电机在低频时出现的不稳定和振荡问题。因此即使在网速较低的情况下，通过合理的设计，也可以在风力直接驱动下实现较高的发电效率，从而省去了齿轮箱。

3、开关磁阻发

电机具有优良的高速性能，能够在宽广的速度范围内稳定运行，因而可以适应不同网速的要求，高效的利用网通。

4、开关磁阻发

电机可控参数多，如开通角，关断角，直流斩波限，励磁电压等，可方便的实现比较复杂的控制策略。

5、开关磁阻发

电机具有自励能力，只需要小容量的直流起励电源，就可以自动建立电压。若与蓄电池构成互补系统，更可以体现分时励磁和发电的优势。

6、开关磁阻发电机各相在物理和电磁上相互独立，即使缺相的情况下，仍可维持工作，具有很强的容错能力。

开关磁阻电机焦炭工业应用

开关磁阻电机（SRD）因其起动力矩大、起动电流小，可以频繁重载起动，无需其它的电源变压器，节能，维护简单，特别适用于矿井输送机、电牵引采煤机及中小型绞车等。

90年代英国已研制成功300kW的开关磁阻电机，用于刮板输送机，效果很好。我国已研制成功110kW的开关磁阻电机用于矸石山绞车、132kW的开关磁阻电机用于带式输送机拖动，良好的起动和调速性能受到工人们的欢迎。我国还将开关磁阻电机用于电牵引采煤机牵引，运行试验表明新型采煤机性能良好。此外还成功地将开关磁阻电机用于电机车，提高了电机车运行的可靠性和效率。

开关磁阻电机家电行业应用

随着人们生活水平的提高，洗衣机已逐渐深入千家万户，洗衣机也经历了手动机械洗衣机、半自动洗衣机、全自动洗衣机的发展过程，并不断智能化。洗衣机电机也由简单的有级调速电机发展为无级调速电机。开关磁阻电机由于低成本、高性能、智能化已开始应用于洗衣机，在美国高档洗衣机中已小批量采用，并取得明显的优点：（1）很低的洗涤速度。

（2）良好的衣物分布性。

（3）滚筒平衡性好。

（4）快速安全停机。

（5）软起动。

（6）电流限幅。

（7）最大速度高，低速转矩大。

（8）机械特性易调整。

（9）对水温、水流等易于智能控制。

步进电机：

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，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一步运行的。可以通过控制脉冲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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

步进电机的分类：

步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

现在比较常用的步进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）和单相式步进电机等。

永磁式步进电机

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；

永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。

反应式步进电机

反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。

混合式步进电机

混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；

反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。

步进电机的一些基本参数：

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。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。

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、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0.75°/1.5°、五相的为

0.36°/0.72° 。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步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

保持转矩（HOLDING TORQUE）：

是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。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，输出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。

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，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。

步进电机的一些特点：

1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

2．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。

3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

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，从而导致力矩下降。4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,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）。

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

两种电机共同点：

从结构上看：由装有励磁绕组的定子和具有凸极的转子构成，其转子上无任何绕组；

从原理上看：利用转子凸极轴线总是趋向于与定子所产生的磁通轴线对齐，最终确保在给定定子激磁的条件下获得最大的定子磁链。正是这一“对齐”趋势，才使得变磁阻电机产生有效的电磁转矩。

两种电机的区别：

开关磁阻电机根据转子位置决定各相励磁绕组的通电时刻,因而属于自控式同步电动机的一种;

步进电机是按照一定的顺序对定子励磁绕组进行通电,定子绕组每输入一个脉冲,转子转过一定角度。