步进电动机的工作原理

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步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入肘步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。
步进电动机按其输出转矩的大小来分，可以分为快速步进电动机和功率步进电动机。快速步进电动机连续工作频率高而输出转矩较小，一般在N·cm级，可以作为控制小型精密机床的工作台(例线切割机床)也可以和液压转矩放大器组成电液脉冲马达去驱动数控机床的工作台，而功率步进电动机的输出转矩就比较大是N·m级的，可以直接去驱动机床的移动部件。步进电动机按其励磁相数，可以分为三相、四相、五相、六相甚至八相。一般来说随着相数的增加，在相同频率的情况下，每相导通电流的时间增加，各相平均电流会高些，从而使电动机的转速—转矩特性会好些，步距角亦小。但是随着相数的增加，电动机的尺寸就增加，结构亦复杂，目前多用3～6相的步进电动机。由于步进电动机的转速随着输入脉冲频率变化而变化，调速范围很广，灵敏度高，输出转角能够控制，而且输出精度较高，又能实现同步控制，所以广泛地使用在开环系统中，也还可用在一般通用机床上，提高进给机构的自动化水平。步进电动机按其工作原理来分，主要有磁电式和反应式两大类，这里只介绍常用的反应式步进电动机的工作原理，现用下图的步进电动机的简化图来加以说明。
在电动机定子上有A、B、C三对磁极，磁极上绕有线圈，分别称之为A相、B相和C相，而转子则是一个带齿的铁心，这种步进电动机称之为三相步进电动机。如果在线圈中通以直流电，就会产生磁场，当A、B、C三个磁极的线圈依次轮流通电，则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。首先有一相线圈(设为A相)通电，则转子1、3两齿被磁极A吸住，转子就停留在图5—5a的位置上。然后，A相断电，6相通电，则磁极A的磁场消失磁极B产生了磁场，磁极召的磁场把离它最近的2、4两齿吸引过去，停止在图b的位置上，这时转子逆时针转了30°。再接下去B相断电，C相通电。根据同样道理，转子又逆时针转了30°，停止在图c的位置上。若再A相通电，C相断开，那么转子再逆转30°，使磁极A的磁场把2、4两个齿吸住。定子各相轮流通电一次转子转过一个齿。这样按A→B→C→A→B→C→A→…次序轮流通电，步进电动机就一步一步地按逆时针方向旋转。通电线圈每转换一次，步进电动机旋转30°，我们把步进电动机每步转过的角度称之为步距角。如果把步进电动机通电线圈转换的次序倒过来换成A→C→B→A→C→B→…的顺序，则步进电动机将按顺时针方向旋转，所以要改变步进电动机的旋转方向可以在任何一相通电时进行。
步进电动机
步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。
步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。
任何一种产品成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。现在，步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。最典型的产品是二相8极50齿的电动机，步距角1.8°/0.9°（全步/半步）；还有五相10极50齿和一些转子100齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较高的场合。到目前，工业发达国家的磁阻式步进电动机已极少见。
步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYODENKI和MINEBEA及NPM公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量，还是生产手段，都堪称是世界上最好的。现在日本步进电动机年产量（含国外独资公司）近2亿台。德国也是世界上步进电动机生产大国。德国B.L.公司1994年五相混合式步进电动机专利期满后，推出了新的三相混合式步进电动机系列，为定子6极转子50齿结构，配套电流型驱动器，每转步数为200、400、1000、2000、4000、10000和20000，它具有通常的二相和五相步进电动机的分辨率，还可以在此基础上再10细分，分辨率提高10倍，这是一种很好的方案，充分运用了电流型驱动技术的功能，让三相电动机同时具有二相和五相电动机的性能。
与此同时，日本伺服公司也推出了他们的三相混合式步进电动机。该公司阪正文博士研制了三种不同的永磁式三相步进电动机，即HB型（混合式）、RM性（定子和混合式相似，转子则同永磁式环形磁铁相似）和爪极PM型。将三相步进电动机同二相步进电动机进行比较后显示
⑴在获得小步距角方面，三相电动机比二相电动机要好。
⑵三相电动机的两相励磁最大保持力矩为√3T1（T1为单相励磁转矩），而二相电动机为√2T1，所以三相电动机的合成力矩大。
⑶三相电动机的转矩波动比二相电动机要小。
⑷三相电动机连续2步用于半步的转矩差比二相电动机的要小。
⑸三相电动机绕组可以星形连接，三个终端驱动，励磁电路晶体管6个；而二相电动机是8个。
⑹连续运转时，由于三相步进电动机结构原因，磁通和电流的三次谐波被消除了，所以三相电动机的振动力矩比二相电动机的要小。
结论是显而易见的。另外的结论是HB型电动机更适合于低速大转矩用途；RM型适用于平稳运行以及转速大于1000r/min的用途；而PM型成本低，在低转速时的振动和高转速时的大转矩方面，三相PM型电动机比两相电动机的性能要好。
因此，当前最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向以下四个方向发展：
发展趋势之一，是继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在57、42机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。
发展趋势之二，是改圆形电动机为方形电动机。由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高30％～40％。
发展趋势之三，对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。
发展趋势之四，向五相和三相电动机方向发展。目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。
我国的情况有所不同，直到20世纪80年代，一直是磁阻式步进电动机占统治地位，混合式步进电动机是80年代后期才开始发展，至今仍然是二种结构类型同时并存。尽管新的混合式步进电动机完全可能替代磁阻式电动机，但磁阻式电动机的整机获得了长期应用，对于它的技术也较为熟悉，特别是典型的混合式步进电动机的步距角（0.9°/1.8°）与典型的磁阻式电动机的步距角（0.75°/1.5°）不一样，用户改变这种产品结构不是很容易的，这就使得两种机型并存的局面难以在较短时间内改变。这种现状对步进电动机的发展是不利的。