步进电机培训教材

步进电动机简介一、步进电动机概述1.1步进电机特点步进电动机（stepping motor）也称脉冲电动机、脉动电动机、分级电动机；更老一些叫法也叫阶动电动机。

这种电动机以规定的次序对定子线圈励磁，每次只转动一定的角度。

这种电动机主要特点如下：（1）控制电路步进电动机的驱动控制电路是将脉冲分配到各相线圈中去的逻辑分配电路，或者是对线圈提供励磁的驱动开关电路。

这种电路同其他伺服控制电路相比较是很简单。

（2）对数控机器的适应性步进电动机很容易同应用微机的设备组合起来，优点是对旋转角度、速度、正反转；启动停止等动作的控制准确、迅速。

（3）定位控制直流电动机等伺服电动机进行定位控制时，使转子保持在某一角度，一定要不间断通电，以达到制动作用。

而步进电机只要维持励磁就能得到保持转矩。

永磁型、混合型步进电动机即使切断励磁也能得到定位转矩；因此，用步进电动机实现准确的定位控制既简单、成本又低。

（4）步距角误差步进电动机的角度误差通常是基本步距角的5%左右，因此输入脉冲没有积累误差，所以定位精度很高。

（5）低转速、高转矩步进电动机与其他类似电动机比较，是属于低速、高转矩电动机。

其他伺服电动机的工作转速在1000rpm以上，而以每秒1000个脉冲的速度来驱动1.8°的步进电动机时转速只有300rpm，以它是属于低转速、高转矩的电动机。

（6）速度可变控制步进电机的旋转角度同输入脉冲成正比，旋转速度同输入的脉冲（频率）成正比，只要简单的改变脉冲速率，就能达到大幅度控制速度变化的目的。

（7）可靠性高步进电机除了轴承以外没有电刷、换向器等磨损部分，无须特殊的维修保养是可靠性高寿命长的电动机。

（8）稳定性差步进电动机的驱动转矩随着转子旋转的位置而变化，而每次励磁都会引起转矩的波动，所以速率的波动比较大。

另外电动机的转矩和惯量决定着电动机固有的频率和驱动脉冲速率，同步进电动机安装的固有的振动之间引起共振，而产生共振噪音，这是一大缺点。

2.2步进电动机的历史进入20世纪有关步进电动机的发明不断出现。

最初美国的Andrew T MacCoy发明了电动打字机用的步进电动机，这是一种带逆转轮的结构的永磁步进电动机，步距角为30°。

这种电动机获得了1907年美国专利。

1923年苏格兰的James Weir French发明了VR三相步进电动机。

2.3步进电动机的分类根据步进电动机的结构可以分为三大类：（1）磁阻式步进电动机（Variable---reluctance type）（反应式）（2）永磁式步进电动机（permanent magnet type）（3）混合式步进电动机（hybrid type）（感应子式）1.磁阻式步进电机，这种步进电机磁阻是可变的，也称VR型步进电机。

追溯历史在19世纪中期，这种步进电机的结构是最基础的。

定子和转子上配置有一定间距的突极，当对线圈励磁时，定子和转子的突极相互吸引成直线状，利用这一原理获得步进式转矩。

每一相突极分别错开一定的轴相角度重叠排列。

2.永磁式步进电机，也称PM步进电机，转子采用永磁磁钢。

这种步进电机定子采用冲压方式加工成爪型齿极，转子采用径向多极充磁的永磁磁钢。

这种电动机成本低廉。

3.混合式步进电机，也称BH型，是VR型和PM型的结合形式。

它在VR型电动机的转子或者定子上配置永磁磁钢，由于气隙部分偏置（梢加正电压或负电压）磁场，所以输出轴转矩上升，提高效率。

2.4步进电机的应用应用领域：计算机外部设备、摄影系统、观点组合装置、阀门控制、数控机床、自动绕线机、医疗设备、电子钟表、自动绣花机、办公自动化、家电行业。

二、反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。

下面先叙述三相反应式步进电机原理。

1、结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。

0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B 与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：2、旋转：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。

如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。

如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。

如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。

如按A，C，B，A……通电，电机就反转。

由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。

而方向由导电顺序决定。

不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。

往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A 这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。

甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。

不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。

并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。

只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。

3、力矩：电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力F与（dФ/dθ）成正比其磁通量Ф=Br*SBr为磁密，S为导磁面积F与L*D*Br成正比L为铁芯有效长度，D为转子直径Br=N²I/RN²I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。

力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。

三、永磁式步进电机机构及工作原理（爪极型）1. 结构永磁爪极步进电机的典型结构如图1所示。

整个电动机定转子的轴向均分为两段，中间由隔磁片隔开，两段互相间叉开一个步距角，每均由定子，转子以及套在定子的一个环形绕组所组成。

每段定子内孔圆周上的极片呈爪形作环形对称排列，外面并绕两套反向串联的环形绕组，定子两段环形磁钢同向同轴联结径向充磁。

图1 结构简图AA B0B2. 工作原理设上段两反向绕组分别为A ，A -两相，其中下段两反向绕组分别为B ，B -两相，当在AO 和BO两相绕组通电时，同一段内相领极片呈相反极性，转子在定子极片处于图2（a ）所示的平衡 位置。

当把A ，B 相通电转换成AO ，B -O 两相通电后，这是B 段定子极片极性全部反向。

转子将向左移动一步，如图2(b)所示.如果继续改变通电状态，即由AB →AB -→A -B -→AB 转子就会步进旋转，若改变通电顺序AB →A -B →A -B -→AB 则电机反向旋转。

AB-AB 通电图2 工作原理图SS N NS N(b)SN NNS S N (a)SS N S S N SS N S N N S AB通电NSNS NS S NN N N N S S N N S N SS三、步进电机的特性1、静态转矩特性（a ）保持转矩(holding torque)是指步进电机在励磁状态，用外力旋转输出轴时，抗拒外力所产生的最大转矩。

保持转矩也叫最大静止转矩、最大保持转矩、堵转转矩。

保持转矩大小随励磁电流的大小、励磁方式不同而不同。

同一电动机二相励磁比起一相励磁通常保持转矩大1.4倍。

（b ）自定位转矩：在电动机中使用永磁的PM 型步进电机、HB 型步进电机，即使没有励磁电流，由于磁钢所产生的磁场也会有持续作用于转子的转矩使之处于一个稳定平衡状态。

在这没有励磁状态下，从外部对输出轴施加转矩时，而产生的最大值称为自定位转矩（detenttorque ）。

自定位转矩也称为无励磁保持转矩或剩余转矩（residual torque ）。

2、动态转矩特性（dynamic torque characters ）(a) 牵入转矩特性 所谓牵入转矩（pull-in-torque characteristics ）就是一种负载转矩,具体做法是用在直接连接在输出轴的滑轮上垂吊砝码的方法对轴加上负载,再交替任意加上驱动脉冲、停止，使电动机一会儿启动，一会儿停止，这时电动机不得不有误动所测得的临界转矩。

换而言之如果增加了所吊砝码的重量，就要引起电动机误转动，这时求得的临界转矩；表示驱动脉冲同临界转矩之间关系的这种特性称牵入转矩。

在空载状态下，究竟多快的脉冲速率电动机就不能启动了，这种临界速度称最大自启动频率（maxstarting frequency ）。

步进电机运转速度大多用脉冲速度表示，具体就是用在单位时间内施加的脉冲数（PPS ）表示。

(b) 牵出转矩特性牵出转矩特性（pull-out-torque characteristics ）也叫牵出(pull in)特性、转换(slewing)特性。

具体就是首先以一定负载使电动机自启动，然后逐步提高输入到电动机的脉冲速率，当脉冲速率提高到某一速率时就会引起电动机误动或者停转，牵出转矩特性就是表示这一临界脉冲和负载转矩之间的关系的特性。

当空载时，脉冲速度超过此频率电动机就不能响应，称这一脉冲速率为最大响应频率（maxresponse frequency ）要求牵出转矩曲线时，先使电机启动，保持一定的输入脉冲速度不变，逐渐增加负载转矩直到电机停止转动，这时求得临界转矩值，可以得到同样的特性曲线称这一曲线上的转矩为牵出转矩，这一值肯定比牵入转矩高。

称牵出转矩和牵入转矩之间的范围为工作区域，在这一区域内运转时必须注意当改变脉冲速率时，不会因误步进或共振而引起失步。

3、矩频特性转矩(m N .m )最大牵入频率最大牵出频率 图3（矩频曲线）4、响应特性步进电机运转时，只要看一看旋转角度（rad ）、旋转角速度（rad/s ）随时间的推移是如何变化的，就明白转子是一边振动一边旋转的，停止时是先过冲后再一边作衰减振动一边停下来。

称表示这种旋转震荡过程的特性为响应特性，其中只输入一个脉冲时旋转震荡结果的特性叫单步响应特性，输入连续脉冲时的响应特性称为连续响应特性。

这种响应特性也叫动特性，为了防止共振、振动应采取最合适的运转方式，这是十分重要的特性。

(a) 步响应特性，图三所示是静态转矩和单步响应的关系当输入一次脉冲转子向目标平衡点（A ），当到达A 点时由于转子惯量不能马上停止，而要略转过头。