机电磁性魅力 

    当我第一次把一块强磁铁放进一个铜管中时，我简直不敢相信我所看到的现象。磁铁
漂浮着落下铜管，根本碰不到管壁，地球引力对它来说都不算回事，真是太神奇了 !我当
时急切想知道这是怎么回事。对我来说，即使是今天，这一实验也是对三个最重要物理定
律，安培定律、法拉第定律和楞次定律的最好演示。虽然我所学的专业是机械工程学(在 70
年代和 80 年代是纯机械的)，但我还是被与电子机械有关的东西所吸引;所以当我于 90 年
代初在伦斯勒理工学院时就开始了机电一体化工作。机械工程系的学生通常都不太了解麦
克斯韦方程组，但对我来说它非常重要，堪与牛顿定律和质量与能量守恒定律相比肩。对
机电一体化的实践来说，电子动力学领域是重要基础，它应该成为机电一体化课程的一

 

部分。可令人遗憾的是，实际情况并不是这样。

    那时候在我看来，步进电动机就是机电一体化的缩影，是一个通过在开环控制下对晶
体管打开和关闭来驱动的电磁机械数字执行器。利用反电势的闭环控制也是有可能的，对
一位机电一体化工程师来说还能需要什么呢?当今的世界到处都是步进电机应用，旋转型
或直线型的，其速度、功率和准确性需求都不在话下，但其成本却是个问题。更高力矩密
度、更高步进角精确度、驱动的顺畅度和小型化，连同系统的集成性，是步进电机发展趋

 

势中令人关注的几个方面。

    步进电机的本质特征是其把开关励磁变化转变成转子位置(步进)精确定义增量的能力。
转子的准确定位是通过电机固定和转动部件之铁齿的磁性取向来实现的。混合步进电机是
最常用的类型，并且是受限制工作空间中需要小步进长度和高扭矩应用的自然选择。线圈
被安置在定子上，一块永久磁铁安装在转子上。这两部分的转子齿是完全错开的，而定子

 

齿则是完全对准的。

    一般来说有八个定子极，每一定子极有两到六个齿。有两个线圈(相位)，每个线圈固定
在四个定子极上。磁通量的主要来源是转子永久磁铁;在一个或两个线圈中的直流电流沿
交替途径来引导磁通量。

    现在，大多数的运动控制系统都需要高速度、高准确性和高分辨率以及对系统变化的
鲁棒性。运动控制系统都有时间变化和位置变化特点：惯性，粘滞摩擦，导致粘滑表现的
非线性干摩擦，挠性皮带、联轴节和主轴的柔性变化，齿轮的间隙。理解这些现象并且使
之模型化对系统的机电一体化设计来说是必不可少的。困难点是为某一运动参数，也就是
为产生理想系统运动而相位被驱动的次数，来确定通常处于半步运作中的步进状态顺序。

 

模型做得越好，面对系统变化具有稳健表现的步进状态顺序就会开发的越好。