步进电机的工作原理综述-曹发海

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1、步进电机的工作原理综述步进电机是将电脉冲信号转变为输出轴的角位移或线位移的开环控制元件，是纯碎的数字控制电动机，即当步进驱动器接收到一个脉冲信号，步进电机就按设定的方向转动一个固定的角度(称为步距角)。一、步进电机的分类：（1）反应式步进电机（variablereluctance，VR）反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小，但动态性能差。（2）永磁式步进电机（permanentmag

2、net，PM）永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度，永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大（3）混合式步进电动机（hybrid，HB）混合式步进电机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，有时也称作永磁感应子式步进电动机，它的步距角小，出力大，动态性能好，但结构复杂，成本较高。由于反应式步进电机的性价比较高，因此这种步进电机的应用非常广泛，本文以这种步进电机为例，综述步进电机的原理和控制方法。二、反应式步进电机的结构如上图所示，是一个三相反应式步进电机结构图，从图中可以看出，它分成转子和定子两部分，定子是由硅钢片叠

3、成，定子上有6个大磁极，每两个相对的磁极（N、S极）组成一对，共3对。每对磁极都缠绕同一绕组，也即形成一相，这样三对磁极有3个绕组，形成三相。可以得出，四相步进电机有4对磁极、4对绕组……以此类推。每个磁极的内表面都分布着多个小齿，他们大小相同，间距相同。转子是由软磁材料制成，其表面也均匀分布着小齿，这些小齿与定子上的小齿的齿距相同，形状相似。因此它们的齿距角都可以由下式来计算θz＝2π／ZZ——转子的齿数电动机运动的动力来自于电磁力，在电磁力的作用下，转子被强行推动到最大磁导率（即最小磁阻，定子小齿与转子小齿对齐）的位置，并处于平衡的状态。对于三相步进电机来说

4、，当某一相的磁极处于最大磁导位置时，另外两相必须处于非最大磁导位置。把定子小齿与转子小齿对齐的位置叫对齿，不对齐的位置叫错齿。错齿是步进电机能够旋转的前提条件。三、反应式步进电机的工作原理如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下向磁导率最大的位置转动，即向趋于对齿的状态转动。步进电机步进的过程如图所示，当开关KA合上时，A相绕组通电，A相磁场建立，使转子转动到A相定子小齿与转子小齿形成对齿，同时B、C相上的形成错齿。将A相断电，同时合上KB，使处于错1/3个齿距角的B相通电，并建立磁场，转子在电磁力的作用下，向与B相成对齿的位置转动，其结果为，转子转动

5、了1/3个齿距角，B相与转子形成对齿，C相与转子错1/3个齿距角，A相与转子错2/3个齿距角。将B相断电，同时合上Kc，使处于错1/3个齿距角的C相通电，并建立磁场，转子在电磁力的作用下，向与C相成对齿的位置转动，并且A相与转子错1/3个齿距角，B相与转子错2/3个齿距角。当C相断电，再给A想通电时，转子又转动了1/3个齿距角，与A相形成对齿，与B、C相上的形成错齿。至此所有的状态与最初时一样，只不过转子转过了一个齿距。可见，由于按照Ａ－Ｂ－Ｃ－Ａ顺序轮流给各组绕组通电，磁场按Ａ－Ｂ－Ｃ方向旋转了一周，转子则沿相同方向转过一个齿距角。同样如果按相反方向通电，则转

6、子的转向也相反。四、反应式步进电机的工作方式如果对绕组的通电一次的操作称为一拍，则上面三相反应式步进电机轮流通电就需要三拍，转子每拍走一步，转一个齿距角要三步，转子走一步所转过的角度称为步距角θＮ，计算公式θＮ=θz／Ｎ＝2π／ＮZ式中Ｎ——步进电机工作拍数步进电机的工作方式主要分为单三拍、双三拍、六拍。单三拍工作方式：三相步进电机按Ａ－Ｂ－Ｃ－Ａ方式循环通电工作，，单指的是每次对一个相通电，三拍指的是磁场旋转一周需要换相3次，这时转子转过一个齿距角。双三拍工作方式：每次对两相同时通电，即所谓的双，磁场旋转一周需要换相3次，即所谓三拍，转子转动一个齿距角，这与单

7、三拍一样，在双三拍工作方式中，步进电机正传的通电的顺序为ＡＢ－ＢＣ－ＣＡ－ＡＢ，反转的通电顺序为ＢＡ－ＡＣ－ＣＢ－ＢＡ。六拍工作方式：　单三拍与双三拍交替使用的一种方法，也称单双六拍，正转通电顺序为Ａ－ＡＢ－Ｂ－ＢＣ－Ｃ－ＣＡ－Ａ，反转的通电顺序为Ａ－ＡＣ－Ｃ－ＣＢ－Ｂ－ＢＡ－Ａ，可见，磁场旋转一周，通电需要换相６次，转子才转动一个齿距角。五、步进电机的特性1、振荡步进电机的振荡现象主要发生于步进电机工作在低频区，步进电机工作在共振区，步进电机突然停车时。2、失步失步原因有2种，一是转子的速度慢于旋转磁场的速度，或者说慢于换相速度，二是转子的平均速度大于旋转磁场

8、的速度。3、阻尼方法消除