步进电动机概述-简明指南

1.步进电动机原理

步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电动机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机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动机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电动机可以作为一种控制用的特种电动机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。常用的步进电动机实物如图10-15所示。步进电动机的内部结构如图10-16所示。

图10-15 步进电动机实物图

图10-16 步进电动机内部结构

2.步进电动机分类

现在比较常用的步进电动机分为3种：反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）。本节以反应式步进电动机为例，介绍其基本原理与应用方法。反应式步进电动机可实现大转矩输出，步进角一般为1.5°。反应式步进电动机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。

常用步进电动机的内部模型如图10-17～图10-20所示。

图10-17 三相反应式步进电动机模型

图10-18 永磁式步进电动机

图10-19 混合式步进电动机

图10-20 步进电动机的绕组

3.步进电动机结构

步进电动机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有3个励磁绕组，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开0、1/3て、2/3て，（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距，用て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A’与齿5相对齐（A’就是A，齿5就是齿1）。定、转子的展开图如图10-21所示。

图10-21 定、转子展开图(www.xing528.com)

4.步进电动机的旋转

如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐（转子不受任何力，以下均同）。

如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A’偏移2/3て。

如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A’偏移为1/3て。

如A相通电，B，C相不通电，齿4与A’对齐，转子又向右移过1/3て这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电动机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电动机就每步（每脉冲）1/3て地向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电动机就反转。

图10-22 磁通量

由此可见：电动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，出于对转矩、平稳、噪声及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电动机细分驱动的基本理论依据。

5.步进电动机的转矩：

电动机一旦通电，在定、转子间将产生磁场（磁通量Ф），当转子与定子错开一定角度产生力F与（dФ/dθ）成正比。如图10-22所示。

其磁通量Ф=BS

式中，B为磁通密度；S为导磁面积。

F与LDB成正比

其中，L为铁心有效长度；D为转子直径。

B=NI/R

式中，NI为励磁绕组安匝数（电流乘匝数）；R为磁阻。

转矩=力×半径

转矩与电动机有效体积×安匝数×磁密成正比（只考虑线性状态）。因此，电动机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电动机转矩越大，反之亦然。