一、前言

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓�(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線(xiàn)性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變得非常的簡(jiǎn)單。

雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)、交流電機(jī)在常規(guī)下使用。步進(jìn)電機(jī)必須由脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)并非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

目前,生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少，但具有專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開(kāi)發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家處于一種盲目的仿制階段，這就給用戶(hù)在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。鑒于上述情況，我們?cè)诖藬⑹霾竭M(jìn)電機(jī)的基本工作原理，望能對(duì)廣大用戶(hù)在選型、使用、及整機(jī)改進(jìn)時(shí)有所幫助。

永磁式（PM型）步進(jìn)電機(jī)具有噪音小，出力大,動(dòng)態(tài)性能好的特點(diǎn);目前使用的數(shù)量為HB型的3倍以上，其使用量有逐年增加的趨勢(shì)；但步距角一般比較大。

永磁式（PM型）步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子為內(nèi)轉(zhuǎn)子型(外部為定子，中間為氣隙的電機(jī))，圓柱形轉(zhuǎn)子的外表面分布n、s極(外表面無(wú)齒)。  兩相PM型爪極步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2．11所示．定子相繞組是軸向放置，這種相繞組安裝方式稱(chēng)為從屬型結(jié)構(gòu)。

轉(zhuǎn)子為圓柱形永久磁鐵，其中心安裝了輸出軸。圓柱形永久磁鐵的圓周外表面交替分布著n極和s極，極對(duì)數(shù)為nr，n、s極等極距。其轉(zhuǎn)子磁極通過(guò)氣隙，對(duì)著定子磁極。定子磁極依其形狀稱(chēng)為爪極(clawpo1e)，用導(dǎo)磁鋼板沖壓成型，形成nr個(gè)爪極。兩個(gè)定子極板其磁極交互安放，相差1／2極距．共2nr個(gè)與轉(zhuǎn)子磁極數(shù)2nr相對(duì)應(yīng)，形成一相定子。

定子相繞組繞在圓形骨架上，繞制成環(huán)狀線(xiàn)圈。定子上的兩節(jié)定子磁路相同，其相鄰磁極相差1／4極距，即偏差90/nr。兩轉(zhuǎn)子磁極對(duì)應(yīng)一致。

定子為爪極型的步進(jìn)電機(jī)，氣隙為o．2mm,  決定步距角的分辨率θs=90／nr。若nr=5～12，則步距角θs為1．8～7 5，通常使用7．5。    圖2.12所示為PM型步進(jìn)電機(jī)的外觀。

兩相PM型爪極步進(jìn)電機(jī)的工作原理見(jiàn)圖2.14。實(shí)際的兩相PM型爪極步進(jìn)電機(jī)如圖2.11所示，設(shè)計(jì)的多極nr=12，此時(shí)定子的爪極數(shù)每相有12對(duì)極。為簡(jiǎn)化原理便于理解，圖2．14將一相簡(jiǎn)化成一對(duì)極。對(duì)比圖2.11和圖2．14，實(shí)際的兩相步進(jìn)電機(jī)兩相繞組同時(shí)激磁，通常作2相激磁驅(qū)動(dòng)，為說(shuō)明和理解容易，簡(jiǎn)化為一相激磁狀態(tài)的說(shuō)明，一相激磁如能驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，兩相激磁肯定也能運(yùn)轉(zhuǎn)。

如圖2．14所示，stl、st2為定子的兩相繞組，各線(xiàn)圈如圖所示方向繞制。rt為轉(zhuǎn)子，采用釹鐵硼磁鐵構(gòu)成，n、s極分布在轉(zhuǎn)子外表面，與定子極之間形成工作氣隙。由圖知道，一相線(xiàn)圈激磁一對(duì)定子磁極，轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)與定子極對(duì)數(shù)的節(jié)距相同，相鄰轉(zhuǎn)子的s極與n極必定相互吸引，產(chǎn)生電磁力。

第一步，圖2．14(a)為l相線(xiàn)圈激磁圖，轉(zhuǎn)子與定子stl的磁極互相異性相吸。如果此時(shí)施加外力，轉(zhuǎn)子會(huì)帶著負(fù)載移動(dòng)，電磁力會(huì)產(chǎn)生圖2．14(a)所示位置的恢復(fù)力，負(fù)載力的大小決定了位置精度。此時(shí)，2相定子st2的磁極中心線(xiàn)在轉(zhuǎn)子磁極n、s極的中間位置，2相定子與轉(zhuǎn)子磁極中心線(xiàn)相差π／2，此位移角為一個(gè)步距角。

第二步，圖2．14(b)中，stl的線(xiàn)圈電流為off，st2的線(xiàn)圈電流變成on．轉(zhuǎn)子向右移動(dòng)π／2，轉(zhuǎn)子被st2吸引而停止。

第三步，圖2．14(c)中，stl的線(xiàn)圈電流反向通電，定子極性反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子再旋轉(zhuǎn)π／2后靜止。

再返回圖2．14(a)，依次(b)、(c)、(d)反復(fù)循環(huán)，不斷旋轉(zhuǎn)。以上為兩相PM型爪極步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行原理。

三、反應(yīng)式（VR型)步進(jìn)電機(jī)原理

1、結(jié)構(gòu)：

電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線(xiàn)依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線(xiàn)錯(cuò)開(kāi)。

0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線(xiàn)間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開(kāi)1/3て，C與齒3向右錯(cuò)開(kāi)2/3て，A’與齒5相對(duì)齊，（A’就是A，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開(kāi)圖：

2、旋轉(zhuǎn)：

如A相通電，B，C相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒1與A對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。

如B相通電，A，C相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過(guò)1/3て，此時(shí)齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。

如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3て，此時(shí)齒4與A偏移為1/3て對(duì)齊。

   如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3て，這樣經(jīng)過(guò)A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。

由此可見(jiàn)：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。

不過(guò)，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過(guò)二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。

不難推出：電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線(xiàn)分別與轉(zhuǎn)子齒軸線(xiàn)偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。

3、力矩：

電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)（磁通量Ф）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開(kāi)一定角度產(chǎn)生力

F與（dФ/dθ）成正比

其磁通量Ф=Br*S

Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積

F與L*D*Br成正比

L為鐵芯有效長(zhǎng)度，D為轉(zhuǎn)子直徑

Br=N·I/R

N·I為勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻。

力矩=力*半徑

力矩與電機(jī)有效體積*安匝數(shù)*磁密成正比（只考慮線(xiàn)性狀態(tài)）

因此，電機(jī)有效體積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之亦然。

四、混合式（HB型）步進(jìn)電機(jī)原理

1兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

2兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理

當(dāng)兩相控制繞組按的次序輪流通電，每拍只有一相繞組通電，四拍構(gòu)成一個(gè)循環(huán)。當(dāng)控制繞組有電流通過(guò)時(shí)，便產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)，它與永久磁鋼產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)A相繞組通電時(shí)，在轉(zhuǎn)子N極端磁極1上的繞組產(chǎn)生的S磁極吸引轉(zhuǎn)子N極，使得磁極1下是齒對(duì)齒，磁力線(xiàn)由轉(zhuǎn)子N極指向磁極1的齒面，磁極5下也是齒對(duì)齒，磁極3和7是齒對(duì)槽，如圖4.4所示A相通電轉(zhuǎn)子N極端定轉(zhuǎn)子平衡圖。由于兩段轉(zhuǎn)子鐵芯上的小齒相互錯(cuò)開(kāi)半個(gè)齒距，在轉(zhuǎn)子S極端，磁極1’和5’產(chǎn)生的S極磁場(chǎng)，排斥轉(zhuǎn)子S極，與轉(zhuǎn)子正好是齒對(duì)槽，磁極3’和7’齒面產(chǎn)生N極磁場(chǎng)，吸引轉(zhuǎn)子S極，使得齒對(duì)齒。A相繞組通電時(shí)轉(zhuǎn)子N極端、S極端轉(zhuǎn)子平衡圖如圖4.3。

因轉(zhuǎn)子上共有50個(gè)齒，其齒距角為360°/50=7.2°，定子每個(gè)極距所占的齒數(shù)為不是整數(shù)，因此當(dāng)定子的A相通電，在轉(zhuǎn)子N極，磁極1的5個(gè)齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齒，旁邊的B相繞組的磁極2的5個(gè)齒和轉(zhuǎn)子齒有1/4齒距的錯(cuò)位，即1.8°，如圖4.4所示A相通電時(shí)定轉(zhuǎn)子齒展開(kāi)圖畫(huà)圓圈的地方，A相磁極3的齒和轉(zhuǎn)子就會(huì)錯(cuò)位3.6°，實(shí)現(xiàn)齒對(duì)槽了。磁力線(xiàn)是沿轉(zhuǎn)子N端→A（1）S磁極→導(dǎo)磁環(huán)→A（3’）N磁極→轉(zhuǎn)子S端→轉(zhuǎn)子N端，成一閉合曲線(xiàn)。當(dāng)A相斷電B相通電時(shí)，磁極2產(chǎn)生N極性，吸合離它最近的S極轉(zhuǎn)子7齒，使得轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)1.8°，實(shí)現(xiàn)磁極2和轉(zhuǎn)子齒對(duì)齒，B相繞組通電定轉(zhuǎn)子齒展開(kāi)圖如圖4.5所示，此時(shí)磁極3和轉(zhuǎn)子齒有1/4齒距的錯(cuò)位。依次類(lèi)推若繼續(xù)按四拍的順序通電，轉(zhuǎn)子就按順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng)，每通電一次即每來(lái)一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)1.8°，即稱(chēng)步距角為1.8°，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一圈需360°/1.8°=200個(gè)脈沖（見(jiàn)圖4.4、4.5）。