步进电机及其驱动

步进电机及其驱动

1.步进电机的特点与种类

（1）步进电机的特点

步进电机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲,转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步,只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向、很容易用微机实现数字控制。步进电机具有如下特点:

１）步进电机的工作状态不易受各种干扰因素（如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等）的影响，只要在它们的大小未引起步进电机产生“丢步”现象之前,就不影响其正常工作；

2）步进电机的步距角有误差,转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后,其累积误差变为“零”，因此不会长期积累；

３)控制性能好,在启动、停止、反转时不易“丢步”。因此,步进电机被广泛应用于开环控制的机电一体化系统，使系统简化，并可靠地获得较高的位置精度。

(2)步进电机的种类

步进电机的种类很多，有旋转式步进电机,也有直线步进电机;从励磁相数来分有三相、四相、五相、六相等步进电机。就常用的旋转式步进电机的转子结构来说,可将其分为以下三种：

1）可变磁阻(VＲ-VａrｉablｅＲeluctance)型

该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，故又称反应式步进电机。其结构原理如下图所示。其定子１与转子２由铁心构成,没有永久磁铁，定子上嵌有线圈,转子朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并由此而得名可变磁型。

此类电动机的转子结构简单、转子直径小,有利于高速响应。由于VＲ型步进电机的铁心无极性,故不需改变电流极性,因此多为单极性励磁。

可变磁阻型(反应式）三相步进电机断面图

该类电动机的定子与转子均不含永久磁铁,故无励磁时没有保持力。另外,需要将气隙做得尽可能小,例如几个微米。这种电动机具有制造成本高、效率低、转子的阻尼差、噪声大等缺点。但是，由于其制造材料费用低、结构简单、步距角小,随着加工技术的进步,可望成为多用途的机种。

2）永磁（PＭ-Permanent Ｍaｇnet)型

永磁(PM）型步进电机的转子2采用永久磁铁、定子1采用软磁钢制成,绕组3轮流通电,建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。其结构如图所示。这种电动机由于采用了永久磁铁,即使定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力,可用做定位驱动。PM型电动机的特点是励磁功率小、效率高、造价低，因此需要量也大。由于转子磁铁的磁化间距受到限制,难于制造,故步距角较大。与ＶR型相比转矩大，但转子惯量也较大。

3）混合(HB－Hyｂｒid)型步进电机

该型步进电机不仅具有VＲ型步进电机步距角小、响应频率高的优点,而且还具有PM型步进电机励磁功率小、效率高的优点。它的定子与VR型没有多大差别，只是

在相数和绕组接线方面有其特殊的地方,例如,VＲ型一般都做成集中绕组的形式,每极上放有一套绕组,相对的两极为一相,而HB型步进电机的定子绕组大多数为四相,而且每极同时绕两相绕组或采用桥式电路绕一相绕组，按正反脉冲供电。

这种类型的电动机由转子铁心的凸极数和定子的副凸极数决定步距角的大小，可制造出步距角较小(0.９°~３.6°)的电动机。永久磁铁也可磁化轴向的两极，可使用轴向各向异性磁铁制成高效电动机。

混合型与永磁型多为双极性励磁1。由于都采用了永久磁铁，所以无励磁时具有保持力。另外，励磁时的静止转矩都比VＲ型步进电机的大。ＨB和PM型步进电机能够用做超低速同步电机,如用6０Hz驱动每步1.8°的电动机可作为72r／mｉｎ的同步电机使用。

步进电机与DC和AＣ伺服电机相比其转矩、效率、精度、高速性比较差，但步进电机具有低速时转矩大、速度控制比较简单、外形尺寸小等优点，所以在办公室自动化方面的打印机、绘图机、复印机等机电一体化产品中得到广泛使用，在工厂自动化方面也可代替低档的DC伺服电机。

2.步进电机的工作原理

如下图a所示,如果先将电脉冲加到A相励磁绕组，定子Ａ相磁极就产生磁通,并对转子产生磁拉力,使转子的1、3两个齿与定子的A相磁极对齐。而后再将电脉冲通入B相励磁绕组,B相磁极便产生磁通。由图b可以看出，这时转子2、4两个齿与B相磁极靠得最近,于是转子便沿着逆时针方向转过30°角,使转子２、4两个齿与定子B相磁极对齐。如果按照A→B→C→Ａ的顺序通电,转子则沿反时针方向一步步地转动，每步

1励磁：就是向发电机或者同步电动机定子提供定子电源的装置。根据直流电机励磁方式的不同，可分为他励磁，并励磁，串励磁，复励磁等方式，直流电机的转动过程中，励磁就是控制定子的电压使其产生的磁场变化，改变直流电机的转速，改变励磁同样起到改变转速的作用。

转过３0°，这个角度就叫步距角。显然,单位时间内通入的电脉冲数越多,即电脉冲频率越高，电动机转速就越高。如果按A→Ｂ→Ｃ→A→…的顺序通电,步进电机将沿顺时针

方向一步步地转动。从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每一拍转子转动一个步

距角。像上述的步进电机，三相励磁绕组依次单独通电运行，换接三次完成一个通电

循环，称为三相单三拍通电方式。

如果使两相励磁绕组同时通电,即按AB→BＣ→CA→AB→…顺序通电，这种通电方

式称为三相双三拍，其步距角仍为３０°。

还有一种是按三相六拍通电方式工作的步进电机，即按照A→AB→B→BＣ→C→ＣA→A→…顺序通电，换接六次完成一个通电循环。这种通电方式的步距角为ｌ５°，如

下图所示。

若将电脉冲首先通入Ａ相励磁绕组,转子齿1、3与A相磁极对齐，如上图中a所示。然后再将电脉冲同时通入A、B相励磁绕组，这时A相磁极拉着1、３两个齿,B相磁极