#步进电动机概念和其工作原理

1、步进电动 机概念及其工作原理步进电动 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

2、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Ncm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36相的步进电动机。由于

3、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

4、 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 55a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

5、- 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

6、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

7、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、 SANYO DENKI 和 MINEBEA 及

8、 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，

9、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：在获得小步距角方面，三相电动机比二相电动机要好。三相电动机的两相励磁最大保持力矩 为V3T1 （T1为单相励磁转矩），而二相电动机为V2T1，所以三相电动机的合成力矩大。三相电动机的转矩波动比二相电动机要小。三相电动机连续2 步用于半步的

10、转矩差比二相 电动机的要小。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。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 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

11、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，

12、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

13、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。步进电 机的基本原理 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 控制系 统中。随着微 电子和计算机技 术的发展，步进电机的需求量与日 俱增，在 各个国民 经济领 域都有应用。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动 器接收到一个脉 冲信号，它就 驱动步进电 机按设定的方向 转动 一个

14、固定的角度 （称为“步距角”）， 它的旋 转是以固定的角度一 步一步运行的。可以通 过控制脉冲个数来控制角位移 量，从而达到准确定位的目的； 同时可以通过控制脉冲 频率来控制 电机转动的速 度和加速度，从而达到 调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特 种电机， 利用其没有 积累误差（精度为 100%） 的特点，广泛 应用于各 种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、 混合式步进电机（HB ）和单相式步进电机等。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； 反应式步进电 机一般 为三相，可 实现

15、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。混合式 步进电 机是指混合了永磁式和反 应式的 优点。它又分 为两相和五相： 两相 步进角一般为 1.8 度而五相 步进角一般为 0.72 度，这种步进电 机的应用最为广泛 步进电 机的一些基本参数：电 机固有 步距角：它表示控制系 统每发 一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂 时给出了 一个步距角的值，如86BYG250A 型电机给出的值为0.9 /1.8 (表示半步工 作时为0.9、整步工作时为 1.8)， 这个步距角可以称之 为

16、电机固有步距角， 它不一定是 电机实际工作时的真正步距角，真正的 步距角和驱动器有关。步进电 机的相数：是指 电机内部的 线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相 步进电 机。电 机相数不同， 其步距角也不同， 一般二相电机的步距角为 0.9 /1.8 、三相的为0.75 /1.5 、五相的为0.36 /0.72 。在没有细分驱动器时，用户主要*选择 不同相数的 步进电 机来满足自己 步距角的要求。如果使用 细分驱动器， 则相数 将变得没有意 义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改 变步距角。保持 转矩( HOLDING TORQUE )： 是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的

17、力矩。它是步进电机最重要的 参数之一， 通常步进电机在低速时的力矩接近保持 转矩。由于步进电机的输出力 矩随速度的增大而不断衰减， 输出功率也随速度的增大而 变化，所以保持 转矩就 成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人 们说 2N.m 的步进电机， 在没有特殊 说明的情况下是指保持 转矩为 2N.m 的步进电机。DETENT TORQUE ：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE在 国内没有 统一的翻译方式，容易使大家 产生误解；由于反应式步进电机的转子不 是永磁材料，所以它没有 DETENT TORQUE 。步进电 机的一些特点：1一般步进电机的精度 为步进角的 3-5% ，且不累 积。2步进电机外表允 许的最高温度。步进电 机温度 过高首先会使 电 机的磁性材料退磁，从而 导致力矩下降乃至于失 步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点； 一般来 讲 ，磁性材料的退磁点都在 摄氏 130 度以上，有的甚至高达 摄氏 200 度以上， 所以步进电机外表温度在 摄氏 80-90 度完全正常。3步进电 机的力矩会随 转速的升高而下降。当步进电 机转动时 ，电机各相绕组的电感将形成一个反向 电动势 ；频率越高，反 向电动势 越大。在它的作用下， 电机随频率（或速度）的增大而相 电流减小，从 而导致力