锟斤拷锟斤拷锟斤拷锟皆拷锟?-常州宝来电器有限公司

选购指南

步进电机原理

发布时间:2013-7-29

一、前言

步进电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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机、交流电机在常规下使用。步进电机必须由脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机并非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家处于一种盲目的仿制阶段，这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。鉴于上述情况，我们在此叙述步进电机的基本工作原理，望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。

二、永磁式（PM型）步进电机原理

永磁式（PM型）步进电机具有噪音小，出力大,动态性能好的特点;目前使用的数量为HB型的3倍以上，其使用量有逐年增加的趋势；但步距角一般比较大。

永磁式（PM型）步进电机转子为内转子型(外部为定子，中间为气隙的电机)，圆柱形转子的外表面分布n、s极(外表面无齿)。两相PM型爪极步进电机的结构如图2．11所示．定子相绕组是轴向放置，这种相绕组安装方式称为从属型结构。

转子为圆柱形永久磁铁，其中心安装了输出轴。圆柱形永久磁铁的圆周外表面交替分布着n极和s极，极对数为nr，n、s极等极距。其转子磁极通过气隙，对着定子磁极。定子磁极依其形状称为爪极(clawpo1e)，用导磁钢板冲压成型，形成nr个爪极。两个定子极板其磁极交互安放，相差1／2极距．共2nr个与转子磁极数2nr相对应，形成一相定子。

定子相绕组绕在圆形骨架上，绕制成环状线圈。定子上的两节定子磁路相同，其相邻磁极相差1／4极距，即偏差90/nr。两转子磁极对应一致。

定子为爪极型的步进电机，气隙为o．2mm, 决定步距角的分辨率θs=90／nr。若nr=5～12，则步距角θs为1．8～7 5，通常使用7．5。图2.12所示为PM型步进电机的外观。

两相PM型爪极步进电机的工作原理见图2.14。实际的两相PM型爪极步进电机如图2.11所示，设计的多极nr=12，此时定子的爪极数每相有12对极。为简化原理便于理解，图2．14将一相简化成一对极。对比图2.11和图2．14，实际的两相步进电机两相绕组同时激磁，通常作2相激磁驱动，为说明和理解容易，简化为一相激磁状态的说明，一相激磁如能驱动转子旋转，两相激磁肯定也能运转。

如图2．14所示，stl、st2为定子的两相绕组，各线圈如图所示方向绕制。rt为转子，采用钕铁硼磁铁构成，n、s极分布在转子外表面，与定子极之间形成工作气隙。由图知道，一相线圈激磁一对定子磁极，转子极对数与定子极对数的节距相同，相邻转子的s极与n极必定相互吸引，产生电磁力。

第一步，图2．14(a)为l相线圈激磁图，转子与定子stl的磁极互相异性相吸。如果此时施加外力，转子会带着负载移动，电磁力会产生图2．14(a)所示位置的恢复力，负载力的大小决定了位置精度。此时，2相定子st2的磁极中心线在转子磁极n、s极的中间位置，2相定子与转子磁极中心线相差π／2，此位移角为一个步距角。

第二步，图2．14(b)中，stl的线圈电流为off，st2的线圈电流变成on．转子向右移动π／2，转子被st2吸引而停止。

第三步，图2．14(c)中，stl的线圈电流反向通电，定子极性反转，转子再旋转π／2后静止。

第四步，图2 14(d)中，st2的线圈电流反向通电．定子极性反转，转子再旋转π／2后静止。

再返回图2．14(a)，依次(b)、(c)、(d)反复循环，不断旋转。以上为两相PM型爪极步进电机的运行原理。

根据以上叙述,一个步距角转子磁极极距的l／2，走4步为一个循环。步距角由转子的极数来决定，定子的极数对转矩的增加有影响。当然，此型步进电机有单极(uni-polar)型和双极(b1一polar)型，均伴随定子磁极磁化而旋转，反转亦相同。

三、反应式（VR型)步进电机原理

1、结构：

电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，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以て表示），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）下面是定转子的展开图：

2、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（て-1/3て）=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て对齐。

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，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。

由此可见：电机的位置和速度由导电次数（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、噪音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。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。

3、力矩：

电机一旦通电，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

其磁通量Ф=Br*S

Br为磁密，S为导磁面积

F与L*D*Br成正比

L为铁芯有效长度，D为转子直径

Br=N·I/R

N·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。

力矩=力*半径

力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态）

因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。

四、混合式（HB型）步进电机原理

1两相混合式步进电机的结构

工业控制中采用如图4.1所示的定子磁极上带有小齿，转子齿数很多的结构，其步距角可以做得很小。如图4.1两相混合式步进电动机的结构图，和图4.2步进电机绕组接线图，A、B两相绕组沿径向分相，沿着定子圆周有8个凸出的磁极，1、3、5、7磁极属于A相绕组，2、4、6、8磁极属于B相绕组，定子每个极面上有5个齿，极身上有控制绕组。转子由环形磁钢和两端铁芯组成，环形磁钢在转子中部，轴向充磁，两段铁芯分别装在磁钢的两端，使得转子轴向分为两个磁极。转子铁芯上均匀分布50个齿，两段铁芯上的小齿相互错开半个齿距，定转子的齿距和齿宽相同。

2两相混合式步进电机的工作原理

当两相控制绕组按

的次序轮流通电，每拍只有一相绕组通电，四拍构成一个循环。当控制绕组有电流通过时，便产生磁动势，它与永久磁钢产生的磁动势相互作用，产生电磁转矩，使转子产生步进运动。

当A相绕组通电时，在转子N极端磁极1上的绕组产生的S磁极吸引转子N极，使得磁极1下是齿对齿，磁力线由转子N极指向磁极1的齿面，磁极5下也是齿对齿，磁极3和7是齿对槽，如图4.4所示A相通电转子N极端定转子平衡图。由于两段转子铁芯上的小齿相互错开半个齿距，在转子S极端，磁极1’和5’产生的S极磁场，排斥转子S极，与转子正好是齿对槽，磁极3’和7’齿面产生N极磁场，吸引转子S极，使得齿对齿。A相绕组通电时转子N极端、S极端转子平衡图如图4.3。

因转子上共有50个齿，其齿距角为360°/50=7.2°，定子每个极距所占的齿数为不是整数，因此当定子的A相通电，在转子N极，磁极1的5个齿与转子齿对齿，旁边的B相绕组的磁极2的5个齿和转子齿有1/4齿距的错位，即1.8°，如图4.4所示A相通电时定转子齿展开图画圆圈的地方，A相磁极3的齿和转子就会错位3.6°，实现齿对槽了。磁力线是沿转子N端→A（1）S磁极→导磁环→A（3’）N磁极→转子S端→转子N端，成一闭合曲线。当A相断电B相通电时，磁极2产生N极性，吸合离它最近的S极转子7齿，使得转子沿顺时针方向转动1.8°，实现磁极2和转子齿对齿，B相绕组通电定转子齿展开图如图4.5所示，此时磁极3和转子齿有1/4齿距的错位。依次类推若继续按四拍的顺序通电，转子就按顺时针方向一步一步地转动，每通电一次即每来一个脉冲转子转过1.8°，即称步距角为1.8°，转子转过一圈需360°/1.8°=200个脉冲（见图4.4、4.5）。

在转子S极端也是同样道理，当绕组齿对齿时，其旁边一相磁极错位1.8°。

[关闭本页]