步进电动机
步进电动机是一种把电脉冲转换成角位移的电动机。用专用的驱动电源向步进电动机供给一系列的且有一定规律的电脉冲信号，每输入一个电脉冲，步进电机就前进一步，其角位移与脉冲数成正比，电机转速与脉冲频率成正比，而且转速和转向与各相绕组的通电方式有关。
根据励磁方式的不同，步进电动机分为反应式、永磁式和感应子式（又叫混合式），而反应式步进电动机应用较多，下面以此为例来阐述步进电动机的原理。
6.2.1 工作原理
图7.11为一台三相六拍反应式步进电动机，定子上有三对磁极，每对磁极上绕有一相控制绕组，转子有四个分布均匀的齿，齿上没有绕组。
当 相控制绕组通电，而 相和 相不通电时，步进电动机的气隙磁场与 相绕组轴线重合，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电机转子受到一个反应转矩，在步进电机中称之为静转矩。在此转矩的作用下，使转子的齿1和齿3旋转到与 相绕组轴线相同的位置上，如图7.11a所示，此时整个磁路的磁阻最小，此时转子只受到径向力的作用而反应转矩为零。如果 相通电， 相和 相断电，那转子受反应转矩而转动，使转子齿2齿4与定子极 、 对齐，如图7.11b所示，此时，转子在空间上逆时针转过的空间角为30，即前进了一步，转过这个角叫做步距角，同样的，如果 相通电， 相 相断电，转子又逆时针转动一个步距角，使转子的齿1和齿3与定子极 ， 对齐，如图7.11c所示。如此按 顺序不断地接通和断开控制绕组，电机便按一定的方向一步一步地转动，若按 顺序通电，则电机反向一步一步转动。
图7.11 三相反映式步进电动机的工作原理图
在步进电机中，控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍，每一拍转子就转过一个步距角，上述的运行方式每次只有一个绕组单独通电，控制绕组每换接三次构成一个循环，故这种方式称为三相单三拍。若按 顺序通电，每次循环需换接6次，故称为三相六拍，因单相通电和两相通电轮流进行，故又称为三相单、双六拍。
步 进 电 动 机 简 介
一、步进电动机概述
1.1步进电机特点
步进电动机（stepping motor）也称脉冲电动机、脉动电动机、分级电动机；更老一些叫法也叫阶动电动机。
这种电动机以规定的次序对定子线圈励磁，每次只转动一定的角度。这种电动机主要特点如下：
（1）控制电路
步进电动机的驱动控制电路是将脉冲分配到各相线圈中去的逻辑分配电路，或者是对线圈提供励磁的驱动开关电路。这种电路同其他伺服控制电路相比较是很简单。
（2）对数控机器的适应性
步进电动机很容易同应用微机的设备组合起来，优点是对旋转角度、速度、正反转；启动停止等动作的控制准确、迅速。
（3）定位控制
直流电动机等伺服电动机进行定位控制时，使转子保持在某一角度，一定要不间断通电，以达到制动作用。而步进电机只要维持励磁就能得到保持转矩。永磁型、混合型步进电动机即使切断励磁也能得到定位转矩；因此，用步进电动机实现准确的定位控制既简单、成本又低。
（4）步距角误差
步进电动机的角度误差通常是基本步距角的5%左右，因此输入脉冲没有积累误差，所以定位精度很高。
（5）低转速、高转矩
步进电动机与其他类似电动机比较，是属于低速、高转矩电动机。其他伺服电动机的工作转速在1000rpm以上，而以每秒1000个脉冲的速度来驱动1.8°的步进电动机时转速只有300rpm，以它是属于低转速、高转矩的电动机。
（6）速度可变控制
步进电机的旋转角度同输入脉冲成正比，旋转速度同输入的脉冲（频率）成正比，只要简单的改变脉冲速率，就能达到大幅度控制速度变化的目的。
（7）可靠性高
步进电机除了轴承以外没有电刷、换向器等磨损部分，无须特殊的维修保养是可靠性高寿命长的电动机。
（8）稳定性差
步进电动机的驱动转矩随着转子旋转的位置而变化，而每次励磁都会引起转矩的波动，所以速率的波动比较大。另外电动机的转矩和惯量决定着电动机固有的频率和驱动脉冲速率，同步进电动机安装的固有的振动之间引起共振，而产生共振噪音，这是一大缺点。
步进电动机的结构和工作原理
步进电动机的结构：
按照励磁方式分类，步进电动机可分为反应式、永磁式和感应子式。
反应式步进电动机用的比较普遍，结构也较简单。反应式步进电动机又称为磁阻式步进电动机，由定子和转子组成，其定子、转子均由软磁材料冲制、迭压而成。定子上安装多相励磁绕组，转子上无绕组，转子圆周外表面均匀分布若干齿和槽。定子上均匀分布若干个大磁极，每个大磁极上有数个小齿和槽。图1为三相反应式步进电动机结构示意图，反应式步进电动机相数一般为三相、四相、五相、六相。
图1
永磁式步进电动机是转子或定子任何一方具有永磁材料的步进电动机。其结构见图2。永磁式步进电动机没有永磁材料的一方有励磁绕组，绕组通电后，建立的磁场与永磁材料的恒定磁场相互作用产生电磁转矩，励磁绕组一般为二相或四相。
图2
步进电动机的工作原理：
通常电动机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电动机就会反转。所以，可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电动机的转动。例如，单三拍的通电方式，A相首先通电（B、C两相不通电），产生A-A′轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时A、A′极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子对齐A、A′极的位置；接着B相通电（A、C两相不通电），转子便顺时针方向转过30°，和B、B′极对齐；然后C相通电（A、B两相不通电），转子又会顺时针方向转过30°，和C，C′极对齐，当脉冲信号一个一个发来时，转子便会一步一步的顺时针转动，如果按A→C→B→A→…的顺序通电，则电动机转子便逆时针方向转动。这就是步进电动机的工作原理。
步进电动机的工作原理及特点
随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。
1 步进电机概述
步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、 Pulse
motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。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，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率围通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点[1]。
正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。
2国外的研究概况
步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如、、、、都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器部。
