步进电机结构简介

步进电机结构简介

按照励磁方式分类，步进电机可分为反应式、永磁式和感应子式。其中反应式步进电机用的比较普遍，结构也较简单。本课题采用的也是此类电机。

反应式步进电机又称为磁阻式步进电机，其典型结构如图1所示。这是一台三相电机，定子铁心由硅钢片叠成，定子上有6个磁极，每个磁极上又各有5个均匀分布的矩形小齿。三相电机共有三套定子控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。转子也是由叠片铁心构成，转子上没有绕组，而是由40个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两

齿之间的夹角为9度。

下面简述其工作原理。当某相绕组通

电时，对应的磁极就会产生磁场，并与转

子形成磁路。若此时定子的小齿与转子的

小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子

转动一定的角度使转子齿与定子齿对应。

由此可见，错齿是促使步进电机旋转的根

本原因。例如，在单三拍运行方式中，当

A相控制绕组通电，而B、C相都不通电时，

由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特

点，所以转子齿与A相定子齿对齐。若以此作为初始状态，设与A相磁极中心磁极的图1 步进电机剖面结构转子齿为0号齿，由于B相磁极与A相磁极相差120度,且120度/9度＝13.333不为整数，所以，此时13号转子齿不能与B相定子齿对齐，只是靠近B相磁极的中心线，与中心线相差3度。如果此时突然变为B相通电，而A、C相都不通电，则B相磁极迫使13号小齿与之对齐，整个转子就转动3度。此时称电机走了一步。

同理，我们按照A→B→C→A顺序通电一周，则转子转动9度。转速取决于各控制绕组通电和断电的频率（即输入脉冲频率），旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。如上述绕组通电顺序改为A→C→B→A······则电机转向相反。

这种按A→B→C→A······方式运行的称为三相单三拍，“三相”是指步进电机具有三相定子绕组，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指三次换接为一个循环。

此外，三相步进电机还可以以三相双三拍和三相六拍方式运行。三相双三拍就是按AB→BC→CA→AB······方式供电。与单三拍运行时一样，每一循环也是换接3次，共有3种通电状态，不同的是每次换接都同时有两相绕组通电。三相六拍的供电方式是A→AB→B→BC→C→CA→A······每一循环换接六次，共有六

种通电状态，有时只有一相绕组通电，有时有两相绕组通电。

磁阻式步进电机的步距角可由下边公式求得 r

McCZ Q

360 ⑴

式中Mc 为控制绕组相数，C 为状态系数，三相单三拍或双三拍时C ＝1，三相六拍时C ＝2。Zr 为转子齿数，本课题使用的36BF003型步进电机转子齿数为40。

3.2减小步距角的途径

由⑴式可知，本课题使用的步进电机未细分时能达到的最小步距角为1.5度（三相六拍模式）。转速较高时，由于转子本身的惯性，电机可近似看作匀速转动。但在低速运行时，较大的步距角造成两步之间的时间间隔较长，在下一个电脉冲到来之前转子已经停止转动，由此造成运行的不连续及低频振动。此外实际应用中1.5度的步距角往往不能满足精度需要，为了提高精度，要求一个脉冲对应的位移量小，即步进电机的步距角小。减小步距角有以下四种方法：

1、增加步进电机控制绕组的数量。由⑴式可知，步距角Q 与绕组数Mc 成反比，Mc 越大则Q 越小。三相步进电机单拍运行时的步距角为3度（40转子齿），如果采用四相电机，则步距角减小到1.8度（50转子齿）。但是相数越多电机结果越复杂，制造越困难，靠增加相数减小步距角的成本很高。

2、增加拍数。即增大状态系数C 。由⑴式知状态系数也与步距角成反比，增加拍数相当于增加绕组相数。三相步进电机单三拍运行时步距角为3度，采用三相六拍模式后步距角减小到原来的一半。但步进电机所能实现的拍数同绕组相数直接相关，三相步进电机最多能实现的拍数是六拍，四相电机最多八拍。靠增加拍数减小的步距角有限。

3、增加转子齿数Zr 。由于Zr 与步距角Q 成反比，增加转子齿数也能减小步距角。但受加工精度、制造成本限制，转子齿数不能无限增多。

4、采用细分电路。对于一个步进电机，采用细分电路后其步距角减小为原来的1/N （N 为细分数）。理论上N 可以无限增大，从而步距角Q 可以无限减小。细分电路对于任何反应式步进电机都适用，尤其是步距角较大的低端步进电机，能显著减小步距角，提高运动精度，从而在某些场合可以代替高端步进电机。