步进电动机结构及工作原理解析

步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移的执行器。其角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电动机的转速。如果停机后某些相的绕组仍保持通电状态，则还具有自锁能力。步进电动机每转一周都有固定的步数，从理论上说其步距误差不会积累。

步进电动机的最大缺点在于其容易失步。特别是在大负载和速度较高的情况下，失步更容易发生。

但是，近年来发展起来的恒流斩波驱动，PWM驱动、微步驱动、超微步驱动及它们的综合运用，使得步进电动机的高频出力得到很大提高，低频振荡得到显著改善，特别是在随着智能超微步驱动技术的发展，必将把步进电动机性能提高到一个新的水平。它将以极佳的性能价格比，获得更为广泛的应用，在许多领域将取代直流伺服电动机及其相应的伺服系统。

目前，步进电动机主要用于经济型数控机床的进给驱动，一般采用开环的控制结构。也有的采用步进电动机驱动的数控机床同时采用了位置检测元件，构成了反馈补偿型的驱动控制结构。

用于数控机床驱动的步进电动机主要有两类：反应式步进电动机和混合式步进电动机，反应式步进电动机也称为磁阻式步进电动机。

1.反应式步进电动机

图5-2所示为一台三相反应式步进电动机的工作原理。

图5-2 三相反应式步进电动机的工作原理

a）A相通电 b）B相通电 c）C相通电

步进电动机的工作原理是：当某相定子激磁后，它吸引转子，使转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐。因此，步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。

它的定子上有六个极，每极上都装有控制绕组，每两个相对的极组成一相。转子是四个均匀分布的齿，上面设有绕组。当A相绕组通电时，因磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，将使转子齿1、3和定子极A、A′对齐，如图5-2a所示。A相断电，B相绕组通电时，转子将在空间转过θ_s角（θ_s=30°），使转子齿2、4和定子极B、B′对齐。如图5-2b所示。如果再使B相断电，C相绕组通电时，转子又将在空间转过30°角，使转子齿1、3和定子极C、C′对齐，如图5-2c所示。如此循环往复，并按A—B—C—A的顺序通电，电动机便按一定的方向转动。电动机的转速直接取决于绕组与电源接通或断开的变化频率。若按A—C—B—A的顺序通电，则电动机反向转动。电动机绕组与电源的接通或断开，通常是由电子逻辑电路来控制的。

电动机定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。此时电动机转子转过的空间角度称为步距角θ。上述通电方式称为三相单三拍。“单”是指每次通电时，只有一相绕组通电；“三拍”是指经过三次切换绕组的通电状态为一个循环，第四拍通电时就重复第一拍通电的情况。显然，在这种通电方式时，三相步进电动机的步距角θ_s应为30°。

三相步进电动机除了单三拍通电方式外，还经常工作在三相单、双六拍通电方式。这时通电顺序为：A—AB—B—BC—C—CA—A，或为A—AC—C—CB—B—BA—A。也就是说，先接通A相绕组；以后再同时接通A、B相绕组；然后断开A相绕组，使B相绕组单独接通；再同时接通B、C相绕组，依此进行。在这种通电方式时，定子三相绕组需经过六次切换才能完成一个循环，故称为“六拍”，而且在通电时，有时是单个绕组接通，有时又为两个绕组同时接通，因此称为“三相单、双六拍”。

在这种通电方式时，步进电动机的步距角与单三拍时的情况有所不同，参见图5-3。

图5-3 单、双六拍工作示意图

a）A相通电 b）B相通电 c）C相通电

当A相绕组通电时，和单三拍运行的情况相同，转子齿1、3和定子极A、A′对齐。如图5-3a所示。当A、B相绕组同时通电时，转子齿2、4又将在定子极B、B′的吸引下，使转子沿逆时针方向转动，直至转子齿1、3和定子A、A′之间的作用力被转子齿2、4和定子极B、B′之间的作用力所平衡为止，如图5-3b所示。当断开A相绕组而只有B相绕组接通电源时，转子将继续沿逆时针方向转过一个角度，使转子齿2、4和定子极B、B′对齐，如图5-3c所示。若继续按BC—C—CA—A的顺序通电，那么步进电动机就按逆时针方向继续转动，如果通电顺序改为A—AC—C—CB—B—BA—A时，电动机将按顺时针方向转动。

在单三拍通电方式中，步进电动机每经过一拍，转子转过的步距角θ_s=30°。采用单、双六拍通电方式后，步进电动机由A相绕组单独通电到B相绕组单独通电，中间还要经过A、B两相同时通电这个状态，也就是说要经过二拍，转子才转过30°。所以这种通电方式下，三相步进电动机的步距角。

同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时的步距角也是不同的，采用单、双拍通电方式时，步距角要比单拍通电方式减少一半。

实际使用中，单三拍通电方式由于在切换时一相绕组断电而另一相绕组开始通电容易造成失步。此外，由单一绕组通电吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行的稳定性较差。所以很少采用。通常将它改成“双三拍”通电方式，即按AB—BC—CA—AB的通电顺序运行，这时每个通电状态均为两相绕组同时通电。在双三拍通电方式下步进电动机的转子位置与单、双六拍通电方式时两个绕组同时通电的情况相同。所以步进电动机按双三拍通电方式运行时，它的步距角和单三拍通电方式相同，也是30°。

上述这种简单结构的反应式步进电动机的步距角较大，如在数控机床中应用就会影响到加工工件的精度。实际中采用的是小步距角的步进电动机。

图5-4所示的结构是最常见的一种小步距角的三相反应式步进电动机。它的定子上有六个极，上面装有绕组并接成A、B、C三相。转子上均匀分布着40个齿，定子每段极弧上也各有5个齿，定子转子的齿宽和齿距都相同。当A相绕组通电时，电动机中产生沿A极轴线方向的磁场，因磁通要按磁阻最小的路径闭合，就使转子受到反应转矩的作用而转动，直到转子齿和定子A极上的齿对齐为止。因转子上共有40个齿，每个齿的齿距应为360°/40=9°，而每个定子磁极的极距为360°/6=60°，所以每一个极距所占的齿距数不是整数。

图5-4 小步距角的三相反应式步进电动机

图5-5所示为步进电动机的定子、转子展开图。其中定子有6个极，转子有40个齿。当A极下的定、转子齿对齐时，B极和C极下的齿就分别和转子齿相错三分之一的转子齿距。

反应式步进电动机的转子齿数z_r基本上由步距角的要求所决定。但是为了能实现上述“自动错位”，转子的齿数就必须满足一定条件，而不能为任意数值。当定子的相邻极属于不同的相时，在某一极下若定子和转子的齿对齐时，则要求在相邻极下的定子和转子之间应错开转子齿距的，即它们之间在空间位置上错开角。由此可得出转子齿数应符合的条件

式中 2p——步进电动机的定子极数；

m——相数；

K——正整数。

图5-5 步进电动机的定子、转子展开图

由图5-5可以看出，若断开A相绕组而接通B相绕组，电动机中将产生沿B极轴线方向的磁场，这样在反应转矩的作用下，转子按顺时针方向转过3°使定子B极下的齿和转子齿对齐。相应定子A极和C极下的齿又分别和转子齿相错三分之一的转子齿距。依此类推，当控制绕组按A—B—C—A顺序循环通电时，转子就沿顺时针方向以每一脉冲转动3°的规律转动起来。若改变通电顺序，即按A—C—B—A顺序循环通电时，转子就沿逆时针方向以每一脉冲转动3°的规律转动。此时，就成为单三拍通电方式运行。

若采用三相单、双六拍通电方式运行，即按A—AB—B—BC—C—CA—A顺序循环通电，同样步距角也要减少一半，即每一脉冲仅转动1.5°。

综上所述，我们可以得到如下结论：(www.xing528.com)

1）步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电动机的步距角θ_s。

2）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向也随之改变。

3）步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高。

4）步进电动机的步距角θ_s与定子绕组的相数m、转子的齿数z_r、通电方式c有关，步进电动机的步距角θ_s由下式决定：

式中　z_r——转子的齿数；

c——状态系数，当采用单三拍或双三拍运行时，c=1；而采用单、双六拍

通电方式时，c=2。

若步进电动机通电的脉冲频率为f，则步进电动机的转速（r/min）为

步进电动机可以做成三相的，也可以做成二相、四相、五相、六相或更多相数的，由式（5-2）可知，电动机的相数和齿数越多，步距角θ_s就越小，又从式（5-3）可知，这种步进电动机在一定的脉冲频率下，转速也越低。但相数越多，电源就越复杂，成本也越高。因此，步进电动机最多为6相。

2.多段反应式步进电动机

前面介绍的反应式步进电动机是按径向分相的，这种步进电动机也称为单段反应式步进电动机。它是目前步进电动机中使用最多的一种结构形式。除此之外，还有一种反应式步进电动机是按轴向分相的，这种步进电动机也称为多段反应式步进电动机。

图5-6所示的是多段反应式步进电动机的断面图。多段反应式步进电动机沿着它的轴向长度分成磁性能上独立的几段，每一段都用一组绕组励磁，形成一相。因此，三相电动机有三段。

电动机的每一段都有一个定子，它们固定在外壳上，转子制成一体。由电动机两端的轴承支撑。每段定子上都有许多磁极，相绕组绕在这些极上。沿电动机的轴向长度看，每段的转子齿都是排齐的，但不同段所对应的定子齿之间有不同的相对位置，因此，A段里的定子齿和转子齿对齐的，B段和C段里的定子齿和转子齿则对不齐。若从A相通电变化到B相通电，则使B段里的定子齿和转子齿对齐，转子转动一步。

使B相断开，C相通电，则电动机以同一方向再走一步。再使A相单独通电，则再走一步，A段里的定子齿和转子齿再一次完全对齐。通电状态的三次变化使转子转动三步或一个齿距：不断按序改变通电状态，电动机就可连续旋转。这就是多段电动机的基本工作原理。

3.混合式步进电动机

与反应式步进电动机一样，混合式步进电动机也由定子和转子两部分组成。混合式步进电动机的定子绕组一般有两相、四相或五相。下面就以两相混合式步进电动机为例说明其原理。

图5-6 多段反应式步进电动机的断面图

a）与轴平行的断面 b）与轴垂直的断面

图5-7 转子磁钢产生的磁通回路

两相混合式步进电动机的定子一般有8个极或4个极，极面上均匀分布一定数量的小齿；极上的线圈都能以两个方向通电，形成A相和A相，B相和B相。它的转子也由圆周上均匀分布一定数量小齿的两块齿片等组成。这两块齿片相互错开半个齿距（见图5-7）。两块齿片之间夹有一只轴向充磁的环形永久磁钢。显然，同一段转子片上的所有齿都具有相同极性，而两块不同段的转子片的极性相反。混合式步进电动机与反应式步进电动机的最大区别在于其转子具有永久磁性。

图5-7中表示了由转子上的磁钢产生的磁通回路；图5-8是在电动机X、Y处剖开的断面。每相绕组绕在8个定子磁极中的4个极上，如：A相绕组绕在1、3、5、7磁极上，则B相绕组绕在2、4、6、8磁极上，而且每相相邻的磁极以相反方向绕，即如果A相绕组流过正向电流，则3和7磁极的磁场径向向外，而1和5磁极的磁场径向向内。B相与A相的情况类似。

图5-8 混合式步进电动机剖面图

图5-9 混合式步进电动机工作原理

a）S极断面 b）N极断面

图5-9是混合式步进电动机工作原理，这是四相混合式步进电动机以圆周展开的断面模型。图5-9a是转子S极的断面，图5-9b是N极的断面。图5-9中，定子齿距和转子齿距相同。先考虑磁极Ⅰ和磁极Ⅲ下面的磁场。定子绕组通电后，磁极Ⅰ产生N极，磁极Ⅲ产生S极。它们构成的磁场分布情况如实线所示。同一图中的虚线表示永久磁钢产生的磁场。

因为Ⅰ极这段的转子齿和Ⅲ极那段的转子齿相互错开半个齿距，所以，仅靠定子电流磁场并不能产生像反应式步进电动机那样有意义的转矩。但是，把转子永久磁钢产生的磁场叠加上去，情况就完全变了。因为磁极Ⅰ下面的两个磁场相互增强，所以将对转子产生较大的向左的驱动力。在磁极Ⅲ下面，定子磁场和转子磁场相互抵消，虽然它要对转子产生向右的驱动力，但由于磁场的抵消，使得向右的驱动力较小。所以，综合图5-9a中，Ⅰ、Ⅲ极下的情况可以看出，在转子的S极处受到的合力是向左的。

再看图5-9b，在Ⅰ极上，定子、转子磁场相互抵消；在Ⅲ极下定子磁场和转子磁场相互增强，这与图5-9a中的情况刚好相反。但是，转子N极处的齿片和转子S极处的齿片相互错开半个齿距，这就使得图5-9b中定子、转子齿的相对位置与图5-9a中定子、转子齿的相对位置不一样。在图5-9b中，Ⅰ极下将产生向右的驱动力，但由于磁场的相互抵消，这个向右的驱动力较小，Ⅲ极下将产生向左的驱动力，由于磁场的相互增强，这个驱动力较大。两者合在一起的合力是向左的，这就是说转子在N极处也受到了向左的合力。

如果切断磁极Ⅰ、Ⅲ的电流，同时向磁极Ⅱ、Ⅳ上的绕组通入电流，则在Ⅱ极处产生S极，在Ⅳ极处产生N极。转子将向左再走一步。按照特定的时序通电，如：，电动机就能沿逆时针方向连续旋转。改变通电顺序，以的顺序通电，电动机将沿顺时针方向旋转。

通常，对给定的电动机体积，混合式步进电动机产生的转矩比反应式步进电动机大，加上混合式步进电动机的步距角常做得较小，因此在工作空间受到限制而需要小步距角和大转矩的应用中，常常可选用混合式步进电动机。混合式步进电动机的绕组未通电时，转子永久磁钢产生的磁通能产生自定位转矩。虽然这比绕组通电时产生的转矩小得多，但它确实是一种很有用的特性：使其在电切断时，仍能保持转子的原来位置。

反应式步进电动机，因为它的转子上没有永久磁钢，所以转子的机械惯量比混合式步进电动机的转子惯量低，因此可以更快地加、减速。