反应式步进电动机的工作原理详解

按照磁方式分类，步进电动机可分为反应式、永磁式和感应子式。其中反应式步进电动机用得比较普遍，结构也较简单，所以这里着重分析这类电机。

反应式步进电动机又称为“磁阻式步进电动机”，四相反应式步进电动机结构如图5-25所示。这是一台四相电动机，定子铁心由硅钢片叠成，定子上有8个磁极（大齿），每个磁极上又有许多小齿。四相反应式步进电动机共有4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，沿圆周由很多小齿，轮子上没有绕组。根据工作要求，定子磁极上小齿的齿距和转子上小齿的齿距必须相等，而且转子的齿数有一定的限制。图中转子齿数为50个，定子每个磁极上的小齿数为5个。

图5-25　四相反应式步进电动机结构

1）三相反应式步进电动机工作原理

为了便于说明问题，以一个最简单的三相反应式步进电动机为例说明其工作原理。

图5-26是一台三相反应式步进电动机，定子有6个极，不带小齿，每两个相对的极上绕有一组控制绕组，转子只有4个齿，齿宽等于定子的极靴宽。

当A相控制绕组通电，而B相和C相都不通电时，由于磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，所以转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐，同理，当断开A相且接通B相时，转子便按逆时针方向转过30°，使转子齿2和4的轴线与定子B极轴线对齐。若断开B相且接通C相，则转子再转过30°，使转子齿1和3轴线与定子C极轴线对齐，如此按A—B—C—A…的顺序不断接通和断开控制绕组，转子就会一步一步地按逆时针方向连续转动，三相反应式步进电动机如图5-26所示。转子的转速取决于各控制绕组通电和断电的频率（即输入的脉冲频率），旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。如上述电机通电次序改为A—C—B—A…则电机转向相反，按顺时针方向转动。

图5-26　三相反应式步进电动机

这种按A—B—C—A…运行的方式称为“三相单三拍运行”。“三相”是指此步进电动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，第四次换接重复第一次的情况。

除了这种运行方式外，三相步进电动机还可以三相六拍和三相双三拍的方式运行，三相六拍运行的供电方式是A—AB—B—BC—C—CA—A…这时，每一循环换接6次，总共有6种通电状态，这6种通电状态中有时只有一相绕组通电（如A相），有时有两相绕组同时通电（如A相和B相），三相六拍运行如图5-27所示。按这种方式对控制绕组供电时转子位置和磁通分布的图形。

开始运行时先单独接通A相，这时与单三拍的情况相同，转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐，如图5-27a所示。当A相和B相同时接通时，转子的位置应兼顾到使A、B磁极与转子齿相作用的磁拉力大小相等且方向相反，使转子处于平衡。按照这个原则，当A相通电后转到A、B两相同时通电时，转子只能按照逆时针方向旋转15°，如图5-27b所示。这时转子齿既不与A极轴线重合，又不与B极轴线重合，但A极与B极相对转子齿所产生的磁拉力却相互平衡。当断开A相使B相单独接通时，在磁拉力的作用下转子继续按逆时针方向转动，直到转子齿2和4的轴线与定子B极轴线对齐为止，如图5-27c所示。这时转子又转过15°。以此类推，如果下面继续按照BC—C—CA—A…的顺序使绕组换接，那么步进电动机就不断地按逆时针方向旋转，当接通顺序改为A—AC—C—CB—B—BA—A…时，步进电动机以反方向即顺时针方向旋转。

在实际使用中，还经常采用三相双三拍的运行方式，也就是按AB—BC—CA—AB…方式供电。这时，与单三拍运行时一样，每一循环也是换接3次，总共有3种通电状态，但不同的是每次换接都同时有两相绕组通电。双三拍运行时，每一通电状态的转子位置和磁通路径与三相六拍相应的两相绕组同时接通时相同，如图5-27b和图5-27d所示。可以看出，这时转子每步转过的角度与单三拍时相同，也是30°。

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图5-27　三相六拍运行

综上所述，三相六拍运行时转子每步转过的角度比三相三拍（不论是单三拍还是双三拍）运行时要小一半，因此一台步进电动机采用不同的供电方式，步距角（每一步转子转过的角度）可有两种不同数值，如上面这台三相步进电动机三拍运行时的步距角为30°，六拍运行时则为15°。

2）四相反应式步进电动机工作原理

以上讨论的是一台最简单的三相反应式步进电动机的工作原理。这种步进电动机每走一步所转过的角度即步距角是比较大的（15°或30°），它常常满足不了系统精度的要求，所以现在大多采用如图5-28所示的转子齿数很多且定子磁极上带有小齿的反应式结构，其步距角可以做得很小。下面进一步说明这种电机的工作原理。

图5-28　A相通电时定、转子齿的相对位置

设四相反应式步进电动机为四相单四拍运行，即通电方式为A—B—C—D—A…当图5-29中的A相控制绕组通电时，产生了沿A—A′极轴线方向的磁通，由于磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，因而使转子受到反应转矩的作用而转动，直到转子齿轴线和定子磁极A和A′上的齿轴线对齐为止。因为转子共有50个齿，每个步距角，Φ=7.2°，定子一个极距所占的齿数不是整数，因此当A、A′极下的定、转子齿轴线对齐时，相邻两对磁极B、B′和D、D′极下的齿和转子齿必然错开1/4步距角，即1.8°。这时，各相磁极的定子齿与转子齿相对位置如图5-28所示。如果断开A相而接通B相，这时磁通沿B、B′极轴线方向，同样在反应转矩的作用下，转子按顺时针方向应转过1.8°，使转子齿轴线和定子磁极B和B下齿轴线对齐。这时，A、A′和C、C′极下的齿和转子齿又错开1.8°。依此类推，控制绕组按A—B—C—D—A…顺序循环通电时，转子将按顺时针方向一步一步地连续转动起来。每换接一次绕组，转子转过1/4步矩角。显然，如果要使步进电动机反转，那么只要改变通电顺序，按A—D—C—B—A…即可。

图5-29　A、B两相通电时定、转子齿的相对位置

如果运行方式改为四相八拍，其通电方式为A—AB—B—BC—C—CD—D—DA—A…即单相通电和两相通电相间，则与上面三相步进电动机的原理完全相同，当A相通电转到A、B两相同时通电时，定、转子齿的相对位置由图5-28所示的位置变为图5-29所示的位置（图中只画出A、B两个极下的齿），转子按顺时针方向只转过1/8齿矩角，即0.9°，A极和B极下的齿轴线与转子齿轴线均错开1/8步距角。转子受到两个极的作用力矩大小相等，但方向相反，故仍处于平衡。当B相一相通电时，转子齿轴线与B极下的齿轴线相重合，转子按顺时针方向又转过1/8步距角。这样继续下去，每换接一次绕组，转子转过1/8步距角。可见四相八拍运行时的步距角比四相四拍运行时也小一半。

当步进电动机运行方式为四相双四拍，即按AB—BC—CD—DA—AB…方式通电时，步距角与四相单四拍运行时一样，为1/4步距角，即1.8°。

3）结论

由此可见：电机的位置和速度与导电次数（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、平稳性、噪声及减少角度等方面的考虑，三相反应式步进电动机往往采用A—AB—B—BC—C—CA—A导电状态，这样可将原来每步1/3步距角改变为1/6步距角，甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3步距角变为1/12步距角、1/24步距角，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，并且按一定的相序导电就能控制电机的正反转，这是步进电动机旋转的物理条件。只要符合这一条件，我们从理论上可以制造任何相的步进电动机，但出于成本等多方面的考虑，市场上一般以二、三、四、五相较为多见。