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*S

Br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/R

N²I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）