第五章 步进电动机

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。

步进电动机原理
步进电动机是一种电磁式电机，可通过电脉冲控制电机旋转的距离和方向，其转子移动一步的距离和方向是由输入的电信号脉冲控制的。

因此，步进电机是一种数字电机。

步进电动机的工作原理基于磁场和电流的相互作用。

它由两种基本类型的磁极组成，分别为“永磁体”和“电磁体”。

永磁体磁极通常是一个磁性物质的永磁体（如铁、钴、镍等），而电磁体磁极是铁心上的线圈。

当电磁体通电时，会在其周围产生一个磁场，而进入磁场中的永磁体则会被吸引或排斥，从而产生旋转。

步进电动机的旋转是通过电平驱动的，每个级别包括高电平和低电平。

每个电平都指定一种情况，例如上升沿表示在此时步进电动机晶体管的通道打开。

电流通过电磁体的线圈产生磁场，而旋转也开始。

下降沿表示晶体管的通道关闭，电流停止流动，磁场消失，旋转也停止。

步进电动机有两种类型：磁极固定和转子固定。

在磁极固定的步进电动机中，永磁体位置固定，电磁体绕着永磁体旋转。

在旋转时，永磁体磁极会吸引或排斥电磁体磁极，从而产生转动。

在转子固定步进电动机中，电磁体环绕永磁体旋转，而永磁体的磁极固定在转子上。

转子上的磁极会吸引或排斥旋转电磁体，从而产生转动。

这两种类型的步进电动机可以通过不同的控制方法和电路来控制。

步进电动机的结构和工作原理
1.步进电动机的结构
步进电动机的定子、转子铁心均由硅钢片叠压而成。

定子上均匀分布六个磁极，磁极上装有线圈，相对两个极上的线圈串联起来组成三个独立的绕组，称为三相绕组。

转子是四个均匀分布的齿，齿宽等于定子主磁极端面的有效宽度，转子上没有绕组，本身亦无磁性。

2.步进电机的工作原理
当U相绕组通电且V相、W相绕组都不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，因而转子齿1和齿3的轴线与定子U极轴线对齐（负载转矩为零时），如图一所示。

当U相断电且V相通电时，转子便逆时针方向转过30°，使转子齿2和齿4的轴线与定子V极轴线对齐，如图二所示。

当V相断电且W相通电时，转子再转过30°，使转子齿1和齿3的轴线与定子W极轴线对齐，如图三所示。

如此循环往复,按U—V—W—U的顺序不断接通和断开控制绕组，气隙中将产生脉冲式的旋转磁场，转子就一步一步地按逆时针方向转动。

步进电动机的转速取决于定子绕组与电源接通、断开的频率，即输入的电脉冲频率，步进电动机的转向则取决于定子绕组轮流通电的顺序。

若步进电动机的通电顺序改为U—W—V—U，则电动机为顺时针方向旋转。

定子绕组与电源的接通或断开一般由数字逻辑电路或计算机软件来控制。

上述简单的三相反应式步进电动机的步距角太大，即每一步转过的角度太大，如用于精度要求较高的数控机床等控制系统，会严重影响到加工工件的精度。

这种结构只在分析原理时采用，实际使用的步进电动机都是小步距角的三相反应式步进电动机。

7.3.1 认知步进电机及驱动器1、步进电动机简介步进电动机是将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的一种特殊执行电动机。

每输入一个电脉冲信号，电机就转动一个角度，它的运动形式是步进式的，所以称为步进电动机。

（1）步进电动机的工作原理下面以一台最简单的三相反应式步进电动机为例，简介步进电机的工作原理。

图7-10是一台三相反应式步进电动机的原理图。

定子铁心为凸极式，共有三对（六个）磁极，每两个空间相对的磁极上绕有一相控制绕组。

转子用软磁性材料中制成,也是凸极结构，只有四个齿，齿宽等于定子的极宽。

图7-10 三相反应式步进电动机的原理图当A相控制绕组通电，其余两相均不通电，电机内建立以定子A相极为轴线的磁场。

由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，使转子齿1、3的轴线与定子A相极轴线对齐，如图7-10（a）所示。

若A相控制绕组断电、B相控制绕组通电时，转子在反应转矩的作用下，逆时针转过30°，使转子齿2、4的轴线与定子B相极轴线对齐，即转子走了一步，如图7-10（b）所示。

若在断开B相，使C相控制绕组通电，转子逆时针方向又转过30°，使转子齿1、3的轴线与定子C相极轴线对齐，如图7-10（c）所示。

如此按A—B—C—A的顺序轮流通电，转子就会一步一步地按逆时针方向转动。

其转速取决于各相控制绕组通电与断电的频率，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。

若按A—C—B—A的顺序通电，则电动机按顺时针方向转动。

上述通电方式称为三相单三拍。

“三相”是指三相步进电动机；“单三拍”是指每次只有一相控制绕组通电；控制绕组每改变一次通电状态称为一拍，“三拍”是指改变三次通电状态为一个循环。

把每一拍转子转过的角度称为步距角。

三相单三拍运行时，步距角为30°。

显然，这个角度太大，不能付诸实用。

如果把控制绕组的通电方式改为A→AB→B→BC→C→CA→A，即一相通电接着二相通电间隔地轮流进行，完成一个循环需要经过六次改变通电状态，称为三相单、双六拍通电方式。

步进电动机原理
步进电动机是一种电动机，主要用于精准控制和定位。

它的工作原理是通过电流改变磁场方向，从而控制电机的转动。

步进电动机的转动是以步进的方式进行，每步角度一般为1.8度或0.9度，因此可以实现高精度的定位。

步进电动机的主要组成部分包括：定子、转子、磁路和驱动电路。

其中，定子是由线圈组成的，通过电流改变线圈的磁场方向，从而控制电机的转动。

转子则是由永磁体或电磁体组成的，它会随着线圈的磁场变化而转动。

磁路则是将定子和转子连接起来，以保证磁场能够传递。

驱动电路则是通过接收控制信号，向线圈中注入电流，从而实现对电机的控制。

步进电动机的优点包括精准定位、高转速、低噪音、低振动等。

它广泛应用于数控机床、印刷设备、医疗设备、通讯设备等领域。

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