步进电动机的工作原理及应用技巧

步进电动机按产生转矩的方式不同可分为反应式、励磁式及混合式三种。反应式步进电动机的定子和转子都是凸极结构，是利用磁阻最小原理来工作的。因为步进电动机凸极转子的交轴磁阻与直轴磁阻不同，所以引起电枢反应磁场按照磁阻最小原理产生电磁转矩，从而驱动转子转动。

反应式步进电动机转子齿数可以很多，因此步距角可以做得很小，即使没有减速装置，也可以低速、高精度地实现位置控制。

励磁式步进电动机的励磁可以是永磁式或电磁励磁式，通常是永磁式励磁。励磁式步进电动机转子由于具有磁场，故驱动转矩较大，由于制造工艺的缘故，转子磁极数目不能做得太多，因此步距角比较大。

混合式步进电动机兼有反应式步进电动机和永磁式步进电动机的优点，可以做到步距角小而驱动转矩又大。

1.反应式步进电动机的结构

反应式步进电动机的结构示意图如图5.1所示，主要结构分为定子和转子两大部分。定子、转子铁芯由软磁材料或硅钢片叠成凸极结构，定子、转子磁极上均有小齿，定子、转子的齿形相同。定子磁极上套有Y 连接的控制绕组，每两个相对的磁极为一相，转子上没有绕组。

图5.1　反应式步进电动机的结构示意图

1—转子铁芯；2—定子铁芯；3—定子控制绕组

反应式步进电动机定子相数用m 表示（m=2、3、4、5、6）；定子磁极个数为p（p=2m），每两个相对的磁极嵌有该相绕组。

2.反应式步进电动机的工作原理

1）磁阻转矩产生的原理

在定子绕组由通电产生的相应的电磁场的作用下，定子小齿与转子小齿之间存在磁场，转子小齿将被强行推到最大磁导率（或者最小磁阻）的位置，即定子小齿与转子小齿对齐的位置，如图5.2（a）所示，这一过程称为对齿，并处于平衡状态。同时这一过程中形成转子的转动。

图5.2　定子与转子之间的磁导现象

当定子小齿与转子小齿对齐后，将不再产生使转子转动的电磁力，为了形成持续转动，必须使其他没有对齐的定子小齿与转子小齿（即错齿）产生电磁力，并由磁阻作用形成转矩，如图5.2（b）所示。这一过程为步进电动机的电流换相。

错齿的存在是步进电动机能够转动的前提条件，所以，在步进电动机的结构中必须保证有错齿的存在。也就是说，当某一相处于对齿状态时，其他相必须处于错齿状态。

定子的齿距角与转子的相同，所不同的是，转子的小齿是圆周分布的，而定子的小齿只分布在磁极上，属于不完全齿。当某一相处于对齿状态时，该相磁极上的定子的所有小齿都与转子上的小齿对齐。

如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（或磁阻最小）的位置转动，即向趋于对齿的状态转动。步进电动机正是基于这一原理实现转动的。

2）三相单三拍式步进电动机的工作原理

图5.3所示为三相单三拍反应式步进电动机的工作原理图。“三相单三拍”中的“三相”是指定子的三相绕组，“单”是指每次只有一相绕组通电。从一相通电切换到另一相通电称为“一拍”，“三拍”是指完成一次通电循环要经过三次切换。

图5.3　三相单三拍反应式步进电动机的工作原理图

工作时，假设按U→V→W→U的通电顺序，使三相绕组轮流通电。当U 相绕组通电时，气隙中生成以U、U′为轴线的磁场。在磁阻转矩的作用下，转子1、3齿与U、U′磁极轴线对齐，如图5.3（a）所示。如果U 相绕组不断电，转子1、3齿就一直被U、U′磁极吸住而不改变其位置，即转子具有自锁能力。

当U 相绕组断电，V 相通电时，转子会转过30°，转子2、4齿和V、V′磁极轴线对齐，如图5.3（b）所示；同理，当V 相绕组断电，W 相通电时，转子再转过30°，转子1、3齿和W、W′磁极轴线对齐，如图5.3（c）所示。如此循环往复，按U→V→W→U→……的顺序给三相绕组轮流通电，气隙中产生脉冲式旋转磁场，磁场旋转一周，转子前进三步，转过一个齿距角（90°）。转子每步转过30°，该角度称为步距角，用θb表示。

单独一相控制绕组通电时容易使转子在平衡位置附近来回摆动（振荡），会使运行不稳定，因此实际上很少采用三相单三拍的运行方式。

3）三相双三拍式步进电动机的工作原理(www.xing528.com)

按UV→VW→WU→UV 的顺序给三相定子绕组轮流通电。每次有两相绕组同时通电，如图5.4所示。步距角θb=30°与三相单三拍方式相同，但是双三拍每一步的平衡点，转子受到两个相反方向的转矩而平衡，不会产生振荡，因而稳定性好于单三拍方式，不易失步。反转时，定子绕组按UW→WV→VU→UW 的顺序通电。

图5.4　三相双三拍反应式步进电动机的工作原理

4）三相单双六拍式步进电动机的工作原理

三相单双六拍式步进电动机的工作原理如图5.5所示，工作时，按U→UV→V→VW→W→WU→U 的顺序给三相绕组轮流通电。当U 相通电时，转子1、3齿与U、U′磁极轴线对齐，如图5.5（a）所示；当U、V 相同时通电时，U、U′磁极拉住1、3齿，V、V′磁极拉住2、4齿，转子转过15°，到达图5.5（b）所示位置；当V 相通电时，转子2、4齿与V、V′磁极轴线对齐，转子又转过15°，到达图5.5（c）所示位置，依此规律，按U→UV→V→VW→W→WU→U 顺序循环通电，则转子逆时针旋转15°，即步距角θb=15°。一个通电循环周期有六拍（N=6），转子前进的齿距角为90°。若按U→UW→W→WV→V→VU→U 顺序循环通电，则转子顺时针方向旋转，步进电动机反转。

三相单双六拍工作方式可以使步进电动机获得更精确的控制特性，其运行稳定性比前两种方式更好。

3.步进电动机的齿距角、转速与步距角

1）齿距角

应用于转子上，相邻两个齿间的中心距离称为步进电动机的齿距角。

图5.5　三相单双六拍反应式步进电动机的工作原理

2）步距角

控制绕组改变一次通电状态后转子转过的角度称为步进电动机的步距角。

式中：θb为步距角；k为通电方式，当相邻两次通电相数相同时，k=1；不同时，k=2；Zr 为转子齿数；m 为定子相数。

3）转速

式中：f 为电脉冲的频率。

当步距角θb一定时，通电状态的切换频率越高，即电脉冲频率越高时，步进电动机的转速越高。当电脉冲频率一定时，步距角越大，步进电动机的转速越高，但频率太高，会出现“失步”现象。

为了使步进电动机平稳运行，要求步距角θb很小，通常为3°/1.5°。为此，实际中步进电动机的定子、转子往往做成多齿，如图5.1所示，最小步距角可小至0.5°。国内常见的反应式步进电动机的步距角有1.2°/0.6°、1.5°/0.75°、2°/1°、3°/1.5°等。

从式（5.1）可知，增加步进电动机的定子相数和转子齿数，可减小步距角，但相数越多，驱动电源越复杂，成本越高，一般步进电动机做成二相、三相、四相、五相和六相等。

【例5.1】　一台五相反应式步进电动机，转子为48 齿、采用五相十拍运行方式时，求：（1）步距角θb是多少？（2）若脉冲电源的频率为3000Hz，试问转速是多少？

解　（1）因是五相十拍运行方式，即相邻两次通电相数一样，故k=2。根据式（5.1），得

（2）根据式（5.2），得

因此，该步进电动机的步距角为0.75°，转速为375r/min。