步进电机的优势及工作原理详解

1.特性

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构（见图3-13）。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

图3-13 步进电机（得实DS-1000平推打印机）

步进电机能够简单地做到高精度的定位控制。以5相步进电机为例，其定位的基本单位（分辨率）为0.72°（全步级）或0.36°（半步级），这个数值是非常小的；停止定位精度误差基本皆在±3′（±0.05°）以内，且无累计误差，故可达到高精度的定位控制。

步进电机的位置及速度控制方便，在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数作固定角度的回转进而得到灵活的角度控制（位置控制），并可得到与该脉冲信号周波数（频率）成比例的回转速度。

步进电机具有定位保持力，在停止状态下（保持直流电压，无脉波信号输入时），仍具有励磁保持力，故即使不依靠机械制动，也能做到停止位置的保持。

步进电机动作灵敏，因为加速性能优越，所以可做到瞬时起动、停止、正反转之快速、频繁的定位动作。

步进电机的控制系统构成简单，不需要速度感应器及位置传感器，就能以输入的脉波作速度及位置的控制。也因其属开回路控制，故最适合于在短距离、高频度、高精度之定位控制的场合下使用。

步进电机中低速时具备高转矩，在中低速时具有较大的转矩，故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。

步进电机与使用离合器、减速机及极限开关等其他装置相比，其故障及误动作少，所以在检查及保养时也较简单容易。

步进电机还有小型、高功率、体积小和扭力大等特性，尽管于狭窄的空间内，仍可顺利安装，并提供高转矩输出。

步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，使步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。使用恰当时，甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

步进电机还有一个技术参数——空载起动频率，即步进电机在空载情况下能够正常起动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常起动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，起动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即起动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

2.种类

现在比较常用的步进电机包括反应式（VR，也称磁阻式或变磁阻式）、永磁式（PM）和混合式（HB）三种。

（1）反应式步进电机

反应式一般为三相，反应式的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

下面以三相反应式步进电机为例讲述其原理（见图3-14和图3-15）。

图3-14 三相反应式步进电机基本原理

注：1.定子为3相6极，转子为4极。当仅A相通电时，转子的两个相对的极与A相定子对齐；当仅B相通电时，转子的两个相对的极与B相定子对齐；当仅C相通电时，转子的两个相对的极与C相定子对齐，顺次让ABC三相通电，电机就会转动起来。

2.当AB相通电时，转子转动的角度就会在上述仅A相、B相通电的中间位置，因此当以A-AB-B-BC-C-CA

的循环顺序通电时，电机也会转动起来，而且每步的角度更小。

图3-15 三相反应式步进电机工作原理

注：实际的反应式步进电机把转子和定子都做成有很多个的齿，转子和定子之间的齿并不完全对齐，当仅A相通电时，A相定子的齿是与转子的齿对齐的，但B相的齿却与转子的齿有1/3齿间角的交错，C相的齿却与转子的齿有2/3齿间角的交错；如果仅B相通电，这时B相定子的齿就会与转子的齿对齐；如果ABC三相以上述的次序通电，电机也就会转起来，每步的角度为齿间角，也可两相同时通电，这时就得到1/2的齿间角的步距。

（2）永磁式步进电机

永磁式步进电机包括一个永磁转子、多个线圈绕组和导磁定子。激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动（见图3-16和图3-17）。

图3-16 单相激励

注：两相电机的典型的步进顺序。在第1步中，两相定子的A相通电，因异性相吸，其磁场将转子固定在特定位置（见a图）。当A相关闭、B相通电时，转子顺时针旋转90°（见b图）。在第3步中，B相关闭、A相通电，但极性与第1步相反，这促使转子再次旋转90°。在第4步中，A相关闭、B相通电，极性与第2步相反。重复该顺序促使转子按90°的步距角顺时针旋转。(www.xing528.com)

图3-17 双相激励

注：电机的两相一直通电。但是，一次只能转换一相的极性。

电机也可在转换相位之间插入一个关闭状态而走“半步”。这将步进电机的整个步距角一分为二。在每交换半步的过程中，由于其中一个绕组没有通电，所以作用在转子上的电磁力要小，造成了力矩的净损失。

（3）混合式步进电机

混合式混合了永磁式和反应式的优点。

下面以四相混合式步进电机说明其原理。

混合式步进电机的转子和定子的齿形类似于反应式步进电机，但转子和定子都有两组，每一相铁心分前后两组，绕组则为同一组（见图3-18～图3-20）。

图3-18 混合式步进电机结构

1—磁铁 2—转子前圈 3—铁心 4—绕组 5—转子后圈

注：转子也是分前后两组，分别为前圈和后圈，它们套在一个磁铁外面，磁铁的南北极方向为轴向，形成的磁力线如图3-19所示。

图3-19 磁铁的磁力线

注：前圈和后圈没有对齐，而是交错一个角度，这个角度为半个齿距角，如图3-20所示。

设四个相位为1相、2相、3相、4相，则1相和3相的电路是连在一起而产生的磁场方向相反，2相和4相的电路是连在一起而产生的磁场方向相反，所以一般用（A）/（-A）和（B）/（-B）表示这四个相。

混合式步进电机的工作原理如图3-21和图3-22所示。

图3-20 转子前圈和转子后圈之间交错半个齿距角

3.参数

1）固有步距角：表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如某型号电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°，整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。

图3-21 转子前圈的齿形对齐情况

2）相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相等。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°，三相的为0.75°/1.5°，五相的为0.36°/0.72°。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

图3-22 转子后圈的齿形对齐情况

注：1.（A）和（-A）两相通电，对于绕组产生的磁力，转子前圈/（A）和转子前圈/（-A）产生的磁力大小相等、方向相反；对于磁铁产生的磁力，转子后圈/（A）和转子后圈/（-A）产生的磁力大小相等、方向相反。

2.（B）和（-B）两相没有通电，所以仅有磁铁产生的力，转子前圈/（-B）和转子后圈（B）的磁力的大小相等、方向相反，转子将会转动1/4齿距角。

3.当轮流让（A）、（-A）和（B）、（-B）通电，步进电机就会一步一步地转动起来。

3）保持转矩：是指通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。

4）止动扭矩：是指没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。由于反应式的转子不是永磁材料，所以它没有止动扭矩。

5）空载起动频率：即步进电机在空载情况下能够正常起动的脉冲频率。如果脉冲频率高于该值，电机不能正常起动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，起动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即起动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。