步进电机资料整理

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1.步进电机定义

步进电机是工业生产过程控制，数字程序控制(数控机床)计算机外部设备，控制仪表等常用的控制部件。

步进电机是一种将电脉冲转化为不连续的机械运动的机电装置。当施加适当的电脉冲指令时，电机转子的出轴或外转子将会以不连续的步进增量旋转。电机的旋转与施加的脉冲之间有几个方面的直接关系：首先所加脉冲的顺序直接决定着电机转轴旋转的方向；其次电机转轴旋转的速度取决于所加脉冲的频率，而旋转的角度或者圈数和所加的脉冲数成正比

2.步进电机结构分类

根据步进电机的原理和结构，基本可以分成下面两大类型：

第一类：电磁型步进电机。这种步进电机是早期的步进电机，它通常只有一个绕阻，并且仅靠电磁作用还不能使电机的转子做步进运行，必须加上相应的机械部件，才能产生步进的效果。它有螺旋型和棘型两种。

第二类:定子和转子之间仅靠电磁作用就可以产生步进作用的步进电机。这种电机一般有多相绕组，在定子和转子之间没有机械联系。这种电机有良好的可靠性及速度性，工业应用上大量用于状态伺服元件、功率伺服元件、位置控制元件等。

在第二类步进电机中，根据转子的结构形式，可以分成永磁性转子电机（PM）或反应式转子电机（VR），它们可以简称为永磁式步进电机或反应式步进电机。在永磁式步进电机中，它的转子是用永磁钢制成的，也有通过滑环供电的直流激磁绕组制成；无论如何，其转子有软材料制成齿状，转子的齿也称显极，在这种步进电机的转子中没有绕组。

3.步进电机的特点

步进电机的优缺点总结如下。

优点：

1)电机旋转的角度正比于脉冲数；

2)电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；

3)由于每步的精度在3%-5%，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有

较好的位置精度和运动的重复性；

4)优秀的启停和反转响应；

5)由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；

6)电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电

机的结构可以比较简单而且控制成本较低；

7)仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转；

8)由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。

缺点：

1)如果控制不当容易产生共振；

2)难以运转到较高的转速。

步进电机是工业控制及仪器仪表中的主要控制元件之一。例如，在机械结构中，可以用丝杠把角度变换成直线位移，也可以用它带动螺旋电位器，调节电压和电流，从而实现对执行部件的控制，而在数字控制系统中，由于它可以直接接收微机送来的数字控制系信号，而不需要进行D/A转换，所以给控制应用系统的设计带来了很大方便。

步进电机作为执行元件的一个显著特点就是快速启停能力。如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能在“一刹那”间使步进电机启动和停转。一般步进电机的步进速度为200步/s～1000步/s，如果步进电机是以逐渐加速到最大值，然后再逐渐减速到零的方式工作，其步进速度增加2倍～4倍，而且仍然不会失掉一步。

步进电机的另一显著特点是精度高。在没有齿轮滑动的情况下，步值（即每步所转动的角度）可以由每步90°低到每步只有0.36°，另一方面无论是变磁阻式步进电机还是永磁式步进电机，他们都能精确的返回到原来的位置，如一个24步（每步为15°）的步进电机，当它正方向步进48步时，刚好转两转，如果再反向转48步，它仍将精确地回到原始的位置。

正因为步进电机具有快速启停、精确步进以及直接接收数字信号的特点，因而使得步进电机在定位场合得到了广泛的应用。

步进电机最有意义的一个优点就是在开环系统里可以实现精确的控制。开环控制意味着不需要关于（转子）位置方面的反馈信息。这种控制避免了使用昂贵的传感器以及像光学编码器这样的反馈设备，因为只需要跟踪输入的步进脉冲就可以知道你（转子）的位置。

但是为了保证运动精度所采取的最主要的方法就是仪器采用步进电机的闭环控制。闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出驱动的脉冲串。采用闭环控制，不仅可以获得更加精确的位置控制和高得多、平稳得多的转速，而且可以在步进电动机的许多其它领域内获得更大的通用性。

4.步进电机的原理

步进电机的工作就是步进转动。在一般的步进电机工作中，其电源都是用单极性的直流电。要使步进电机执行步进转动，就必须对步进电机的各相绕组进行

恰当的时序方式通电。步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。

步进电机的步进过程可以用图2来说明。在定子中，每相的磁极都只有一个齿，即磁极本身；故而对三相磁极就有六个齿。在转子中，有四个齿，分别称为0、1、2、3齿。直流电源u通过开关k分别对步进电机的A、B、C相绕组轮流通电。现以反应式三相步进电机为例说明其工作原理，定子铁芯上有六个形状相同的大齿，相邻两个大齿之间的夹角为60o。每个大齿上都套有一个线圈，径向相对的两个线圈串联起来成为一个绕组，各个大齿的内表面上又有若干个均匀分布的小齿。转子是一个圆柱形铁心，外表面上圆周方向均匀地布满了小齿。转子小齿的齿距是和定子相同的。设计时应使转子齿数能被2整除，但某一项绕组通电，而转子可自由旋转时，该相两个大齿下的各个小齿将吸引相近的转子小齿，使电动机转动到转子小齿与该相定子小齿对齐的位置，而其他两相的各个大齿下的小齿必定和转子的小齿分别错开1/3的齿距，开成“齿错位”，从而形成电磁引力使电动机连续地转动下去。

图2 步进电机的步进过程图

下面分析其工作情况。

初始状态时，开关k接通A相绕，则A相磁极和转子的0、2号齿对齐。同时，转子的1、3号齿和B、C相绕组形成错齿状态。

当开关K从A相绕组拨向B相绕组后，由于B绕组和转子的1、3号齿之间的磁力线作用，使到转子的1、3号齿和B相磁极对齐。则转子的0、2号齿据和A、C相绕组形成错齿状态。

以后开关k从B相绕组拨向C相绕组，由于C相绕组和转子之间的磁力线的作用。使到转子0、2号齿和C相磁极对齐。这时转子的1、3号齿和A、B相绕组磁极产生错齿。

当开关k从C相绕组拨向A相绕组后，由于A相绕组磁极和转子1、3号齿