步进电动机的三种类型和应用领域

很多机械的执行机构要求做严格定量的位移运动。典型的例子如机床的进给机构、装配流水线、计算机外围设备等。这种运动的特点是，无论平动还是转动，运动都是具有离散的特点。驱动这些机械的最好传动方式就是步进电动机。离散化的电气传动天然地和数字化控制系统结下不解之缘。步进电动机转矩和速度具有步进的特点，步进角度越小控制精度就越高。功率范围从数瓦到数千瓦，应用范围广。

按照转子励磁方式，步进电动机可以分为永磁式、反应式和混合式三种类型。永磁式步进电动机的转子为永磁材料，转子的极数等于每相定子极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大。反应式步进电动机的转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小齿、步距小，步进角较小，但噪声和振动都很大。混合式步进电动机的转子为永磁式、两段，开小齿，具有永磁式和反应式的优点，转矩大、动态性能好、步距角小。但结构复杂，成本较高。

现以最简单的两相永磁步进电动机来说明步进电动机的原理（见图7-2）。这种电动机的定子有两对凸型磁极，其上有励磁绕组，形成两相结构的定子。转子用永久磁铁制成。步进电动机工作时，是由专门的驱动电源并通过“环形分配器”按照一定的规律向定子绕组通入电压脉冲。当第一个绕组通电时（1H-1K），其定子磁极产生磁场，将转子吸合到图7-2a所示之处。下一步是使第一个绕组断电，向第二个绕组（2H-2K）通电，转子将转过π/2（见图7-2b）。第三步是使第二个绕组断电，使第一个绕组反向通电。第四步是使第一个绕组断电，使第二个绕组反向通电。如此循环。

采用这种控制方式时步进电动机的步进角度为θ=π/（n·p_n）（n——定子绕组相数（图7-2中n=2）；p_n——转子极对数（图7-2中p_n=1））。

图7-2 永磁步进电动机的原理图

除了上述换流算法之外，还可以采用更加复杂的算法即所谓的“半步进角”算法。例如初始位置为第一个绕组通电（见图7-2a），下一步并不使第一个绕组断电，而使第二个绕组通电，形成两个绕组同时通电的状态。这时定子产生的合成磁势位于π/4的位置，即合成磁通轴的位置，于是转子转到π/4的位置（图7-2c）。

需要改变步进电动机的旋转方向时可以采用改变脉冲电压的极性的方法。步进电动机可以做角度控制也可以做速度控制。

做角度控制时，每输入一个脉冲，定子绕组就换接一次。每个脉冲对应于转子的步进角θ，转子角位移量φ与输入的脉冲数N成正比，即

φ=θ·N （7-2）

做速度控制时，送入步进电动机的是连续脉冲，各相绕组不断的轮流通电，步进电动机连续运转，平均转速与脉冲频率f成正比，即(www.xing528.com)

ω=θ·f （7-3）

脉冲频率是控制步进电动机的重要参数，因为它决定了实施控制的时间。实施控制的最大脉冲频率受到定子绕组的电磁惯性的限制，也受到转子机械惯量的限制。这些惯性值越大，最大脉冲频率则越低。负载转矩增大，也限制了最大脉冲频率值。通常永磁式步进电动机的步进角为π/12～π/2，最大脉冲频率约为500Hz。

现代的步进电动机的结构和外形多趋于多样化，定子绕组的相数由单相、两相向多相绕组的趋势发展，转子也由永磁式的主动型向感应式磁极的被动型方向发展。

常见的被动型反应式步进电动机的转子不是用永久磁铁制造，而是使用电工钢加工成有细分小齿形状。定子的凸极上也加工出细分的小齿（见图7-3）。定子的齿数为Z_s，转子的齿数Z_r为应为偶数，且不能是4的倍数（因为该电动机的定子极对数为4，防止定、转子之间形成死区）。通过选择转子移动的齿数实现不同的位移角度，转子的细齿相对于相邻的定子细齿之间的最小位移量为细齿宽度的1/4。

图7-3 反应式步进电动机剖面图（4对极）

当定子的某一相绕组通电时，因为气隙中磁通趋使磁路的磁阻变小，在电磁场的作用下，转子的细齿就和最接近的电子磁极上的细齿相互吸引而吻合。当电流换相到下一相绕组时，转子步进到下一个齿位。这时的步进角为

步进电动机和磁阻电动机区别在于：步进电动机是开环工作的，在不失步的情况下，其转速由脉冲频率决定的；磁阻电动机由位置反馈控制，是一种自同步电动机，其转速是由驱动的电磁转矩和负载的阻力转矩共同决定的。

步进电动机不会产生累计误差，可用于驱动机床的进给机构或电子钟表。