详述步进电动机的工作原理，什么是步进电动机，它都哪些类型，工作原理是什么

很多朋友对详述步进电动机的工作原理，什么是步进电动机，它都哪些类型，工作原理是什么不是很了解，六月小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

步进电机概述步进电机是一种将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电机。这种电机每输入一个电脉冲就移动一步，所以也叫脉冲电机。步进电机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器和脉冲放大器组成，驱动电源从中向电机绕组提供脉冲电流。步进电机的运行性能取决于电机与驱动电源的良好配合。

步进电机具有无累积误差、结构简单、使用维护方便、制造成本低、驱动负载惯性能力强等优点。适用于中小型机床和对速度精度要求不高的场所，但存在效率低、发热量大、有时会“失步”的缺点。步进电机分类1、机电式步进电机

机电式步进电机由铁芯、线圈和齿轮机构组成。当电磁线圈通电时，会产生磁力推动其铁芯移动，通过齿轮机构使输出轴旋转一定角度，通过防转齿轮使输出轴保持在新的工作位置；线圈再次通电，转轴旋转一个角度，依次进行步进运动。2、磁电式步进电机磁电式步进电机结构简单，可靠性高，价格低廉，应用广泛。主要有永磁、磁阻和混合式。

(1)永磁步进电机。它的转子有永久磁极，在气隙中产生交变磁场，它的定子由四相绕组组成(见图)。当A相绕组通电时，转子将转向由该相绕组决定的磁场方向。当A相切断，B相绕组通电励磁时，产生新的磁场方向。此时转子旋转一个角度，位于新的磁场方向，励磁相的顺序决定了转子的旋转方向。

如果定子励磁变化过快，转子将与定子磁场方向变化不一致，转子将失步。起动频率和运行频率低是永磁步进电机的一个缺点。而永磁步进电机功耗更小，效率更高。80年代初出现了圆盘转子的永磁圆盘步进电机，使步距角和工作频率达到了磁阻步进电机的水平。

(2)磁阻步进电机。定子和转子铁芯的内外表面有相似的按一定规律分布的齿槽，定子和转子铁芯齿槽相对位置的变化引起磁路磁阻的变化，从而产生转矩。其转子铁芯由硅钢片或软磁材料制成。当定子的某一相被励磁时，转子就会转到磁阻最小的位置。当另一相被激励并且转子旋转到另一个位置以最小化磁阻时，电机停止旋转。

此时，转子转过一个桨距角b，即，其中n是转子转过一个桨距的运转拍数；ZR是转子齿数。

磁阻步进电机有多种结构形式。定子铁芯有单级和多级；磁路是径向和轴向的；绕组有三相、四相和五相。磁阻步进电机的步距角可以是1 ~ 15，甚至更小，其精度容易保证。启动和运行频率较高，但其功耗较高，效率较低。

(3)混合式步进电机。它的定子和转子铁芯结构类似于磁阻步进电机。转子具有永磁体，以在气隙中产生单极磁场，该磁场也通过转子上软磁材料的齿槽效应进行调制。混合式步进电机兼有永磁步进电机和磁阻步进电机的优点，步距角小、精度高、工作频率高、功耗低、效率高。3、线性步进电机

有两种：反应型和索耶型。Sawyer直线步进电机由静止部分(称为反作用板)和运动部分(称为动子)组成。感应板由软磁材料制成，上面均匀分布有齿和凹槽。电机的动子由一个永久磁铁和两个带线圈的磁极A和B组成。转子由气垫支撑，消除运动时的机械摩擦，使电机运转平稳，提高定位精度。该电机最大移动速度可达1.5m/s，加速度可达2g，定位精度可达20微米以上。

两个Sawyer直线步进电机垂直装配形成一个平面电机。给X方向和Y方向(图3)的两个电机不同的控制电流组合，使电机可以在平面内任意几何轨迹运动。大型自动绘图仪是计算机和平面电机相结合的新型设备。平面电机也可用于激光切割系统，其控制精度和分辨率可达几十微米。

步进电机的工作原理我们用图11.20来说明这种电机的工作原理。

磁阻步进电机的定子装有多相励磁绕组。图11.20是最常用的三相绕组步进电机的原理图。三相绕组形成六个磁极。转子由软磁材料制成，有四个齿。当A相绕组通电而B相绕组和C相绕组未通电时，磁路的磁阻由于磁力图而最小化，从而产生磁阻转矩以使齿的轴线与定子的A相磁极对准。

下一刻B相通电，断开A相电源会使转子齿轴2、4对准B相磁极，因此转子整体逆时针旋转30。因此，按照A-B-C-A …的顺序依次给三个绕组通电，会使转子持续逆时针旋转。如果按照A-C-B-A…的顺序供电，转子将顺时针旋转。由此，我们可以得到如下判断：

(1)步进电机的旋转方向取决于绕组通电的顺序；(2)电机的速度取决于绕组通断的频率；(3)每次接通绕组，角步进距离为转子齿间夹角的l/m，即步进角度为齿距的l/m。

上述步进电机模型中，步距角为30，难以满足精细控制的要求。实际电机采用如图11所示的结构。21.在这种结构中，定子磁极的极弧上有一些等分的小齿，小齿均匀分布在转子表面。用角度测量的转子小齿之间的齿距完全等于定子的齿距。所谓齿距，就是相邻两个齿的中心线之间的夹角，也叫齿距角dt=360/Zr。Zr-转子的齿数。

由于这些小齿，转子可以在绕组旋转小于DT时找到磁阻最小的位置，大大减小了步距角，提高了运动的分辨率。

从图11的分析来看。20，注意当转子的齿与某一磁极的齿完全匹配时，对于M相电机，转子的齿与其他两相磁极的齿必须依次错开l/m个齿距。对于三相电机，当A相通电时，转子的小齿和B、C相磁极上的小齿必须依次错开DT/3。在此约束下，转子的齿数不能是任意的，必须满足以下条件：Zr/2p=k ^ 1/m，即Zr=2p(k ^ 1/m)=2pk ^ 2，其中k为正整数；p极对数；m相数，p=m。

混合式步进电机工作原理图中的电机定子有四个沿圆周均匀分布的齿，线圈绕在齿上，成对连接。两个不同极性的转子各有三个齿。图中，S段用实线表示，N段用虚线表示。两个部分的转子错开半个节距。

当绕组中没有电流时，由于转子中的永磁体总是试图降低磁路中的磁阻，所以转子会倾向于有限数量的位置，直到N极转子上的一个齿和S极转子上的一个齿与定子磁极对齐。对于图中的电机，有12个这样的位置。将转子保持在这些位置的扭矩通常不大，称为维持扭矩。

如果电流流过如图11所示的相绕组。28(a)，定子上产生的N极和S极会吸引异性转子段上的齿。在这种情况下，转子的齿数只有三个稳定位置，而将转子拉离定位位置的扭矩要大得多，称为锁紧扭矩。

将通电方式由图（a）切换至图（b），定子磁场转过90。并将吸引另一对齿，结果转子旋转了30。相当于一个整步。在从图（b）到图（c）中，励磁又回到前一绕组，但是电流方向相反，可使转子再前进一整步。在图（d）中再使第二相绕组电流反向又可前进一步。这样转子就走过了一个齿距。

步骤从图（d）后再回到图（a），如此反复，形成电动机的旋转运动，每转需要12步。显然，以相反的顺序激励定子绕组，电动机将反转。

通常定子的小齿以不同于转子的齿距均匀分布，在齿数较多的电动机中（如图11. 27），定子和转子的齿距排列使得只有转子对面的两个齿与两个相距180。的定子齿完全对齐。同时，相距90。机械角处的定转子齿则完全错开。对于这样结构的混合式电动机，可用如下的公式计算其每转步数N=NrNs/（Ns-Nr）

其中，N为每转步数；Nr和Ns分别是转子和定子的齿数。对于图11.27中的例子，Nr和Ns分别是8和10，则可计算出这种电动机每转40步，步距角为9。

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