步进电机原理
步进电机原理及使用说明 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的非常的简单。
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。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，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，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅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。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。
步进电机基本原理
步进电动机是一种将数字脉冲电信号转换为机械角位移或线位移的执行元件。它需要专用电源供给电脉冲，每输人一个脉冲．电动机转子就转过一个小角度或前进一“步”，位移量与输人脉冲数成正比，速度与脉冲频率成正比。它可在宽的范围内通过脉冲频率来调速，能快速启动、制动和反转。
它具有较好的开环稳定性；当速度控制精度要求更高时，也可采用闭环控制技术。
磁阻式步进电动机的工作原理是利用了物理上“磁通总是力图使自己所通过的路径磁阻最小”所产生的磁阻转矩使电机转动。
水磁式步进电动机由永磁体建立的磁场与定予电流产生的磁场相互作用而产生转矩，使转子运转。
混合式步进电动机兼有磁阻式和永磁式步进电动机的部分特征。其定子结构与磁阻式的相似，转子结构与永磁低速同步电机的相同。混合式步进电动机同一相的两个磁极在空间相差180°机械角度，两个磁极上的绕组产生的n、s极性必须相同，否则无法运行。其运行方式和步距角的计算方法与磁阻式步进电机相同。
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化设备中。步进电机和普通电动机不同之处在于它是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构，它同时完成两个
工作：一是传递转矩，二是控制转角位置或速度。
电机工作原理:图 2.1 为两相步进电机的工作原理示意图，它有2 个绕组。当一个绕组通电后，其定子磁极产生磁场， 将转子吸合到此磁极处。若绕组在控制脉冲的作用下， 通电方向顺序按照四个状态周而复始进行变化，电机可顺时针转动；通电时序为时，电机就逆时针转动。控制脉冲每作用一次，通电方向就变化一次，使电机转动一步，即90 度。4 个脉冲，电机转动一圈。脉冲频率越高，电机转动越快，实际电机的节构要比模型复杂，并且每转一步，一般为1-8°。步进电机的输出力矩与电机的有效体积、线圈匝数、磁通量、电流成正比，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，反之越小。
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°。
