? 步進電機原理
步進電機原理及使用說明 一、前言 ? ? 步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。?? ??
雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。 ? ? 目前,生產步進電機的廠家的確不少，但具有專業技術人員，能夠自行開發，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶在產品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況，我們決定以廣泛的感應子式步進電機為例。敘述其基本工作原理。望能對廣大用戶在選型、使用、及整機改進時有所幫助。
? 步進電機基本原理
步進電動機是一種將數字脈沖電信號轉換為機械角位移或線位移的執行元件。它需要專用電源供給電脈沖，每輸人一個脈沖．電動機轉子就轉過一個小角度或前進一“步”，位移量與輸人脈沖數成正比，速度與脈沖頻率成正比。它可在寬的范圍內通過脈沖頻率來調速，能快速啟動、制動和反轉。
它具有較好的開環穩定性；當速度控制精度要求更高時，也可采用閉環控制技術。
? ? 磁阻式步進電動機的工作原理是利用了物理上“磁通總是力圖使自己所通過的路徑磁阻最小”所產生的磁阻轉矩使電機轉動。
? ? 水磁式步進電動機由永磁體建立的磁場與定予電流產生的磁場相互作用而產生轉矩，使轉子運轉。
? ? 混合式步進電動機兼有磁阻式和永磁式步進電動機的部分特征。其定子結構與磁阻式的相似，轉子結構與永磁低速同步電機的相同?；旌鲜讲竭M電動機同一相的兩個磁極在空間相差180°機械角度，兩個磁極上的繞組產生的n、s極性必須相同，否則無法運行。其運行方式和步距角的計算方法與磁阻式步進電機相同。
步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化設備中。步進電機和普通電動機不同之處在于它是一種將電脈沖信號轉化為角位移的執行機構，它同時完成兩個
工作：一是傳遞轉矩，二是控制轉角位置或速度。
電機工作原理:圖?2.1?為兩相步進電機的工作原理示意圖，它有2?個繞組。當一個繞組通電后，其定子磁極產生磁場，?將轉子吸合到此磁極處。若繞組在控制脈沖的作用下，?通電方向順序按照四個狀態周而復始進行變化，電機可順時針轉動；通電時序為時，電機就逆時針轉動。控制脈沖每作用一次，通電方向就變化一次，使電機轉動一步，即90?度。4?個脈沖，電機轉動一圈。脈沖頻率越高，電機轉動越快，實際電機的節構要比模型復雜，并且每轉一步，一般為1-8°。步進電機的輸出力矩與電機的有效體積、線圈匝數、磁通量、電流成正比，因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之越小。
永磁式（PM型）步進電機原理
?????永磁式（PM型）步進電機具有噪音小，出力大,動態性能好的特點;目前使用的數量為HB型的3倍以上，其使用量有逐年增加的趨勢；但步距角一般比較大。
? 永磁式（PM型）步進電機轉子為內轉子型(外部為定子，中間為氣隙的電機)，圓柱形轉子的外表面分布n、s極(外表面無齒)。? 兩相PM型爪極步進電機的結構如圖2．11所示．定子相繞組是軸向放置，這種相繞組安裝方式稱為從屬型結構。
??? 轉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，極對數為nr，n、s極等極距。其轉子磁極通過氣隙，對著定子磁極。定子磁極依其形狀稱為爪極(clawpo1e)，用導磁鋼板沖壓成型，形成nr個爪極。兩個定子極板其磁極交互安放，相差1／2極距．共2nr個與轉子磁極數2nr相對應，形成一相定子。
??? 定子相繞組繞在圓形骨架上，繞制成環狀線圈。定子上的兩節定子磁路相同，其相鄰磁極相差1／4極距，即偏差90/nr。兩轉子磁極對應一致。
??? 定子為爪極型的步進電機，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型步進電機的外觀。
??? 兩相PM型爪極步進電機的工作原理見圖2.14。實際的兩相PM型爪極步進電機如圖2.11所示，設計的多極nr=12，此時定子的爪極數每相有12對極。為簡化原理便于理解，圖2．14將一相簡化成一對極。對比圖2.11和圖2．14，實際的兩相步進電機兩相繞組同時激磁，通常作2相激磁驅動，為說明和理解容易，簡化為一相激磁狀態的說明，一相激磁如能驅動轉子旋轉，兩相激磁肯定也能運轉。
??? 如圖2．14所示，stl、st2為定子的兩相繞組，各線圈如圖所示方向繞制。rt為轉子，采用釹鐵硼磁鐵構成，n、s極分布在轉子外表面，與定子極之間形成工作氣隙。由圖知道，一相線圈激磁一對定子磁極，轉子極對數與定子極對數的節距相同，相鄰轉子的s極與n極必定相互吸引，產生電磁力。
??? 第一步，圖2．14(a)為l相線圈激磁圖，轉子與定子stl的磁極互相異性相吸。如果此時施加外力，轉子會帶著負載移動，電磁力會產生圖2．14(a)所示位置的恢復力，負載力的大小決定了位置精度。此時，2相定子st2的磁極中心線在轉子磁極n、s極的中間位置，2相定子與轉子磁極中心線相差π／2，此位移角為一個步距角。
??? 第二步，圖2．14(b)中，stl的線圈電流為off，st2的線圈電流變成on．轉子向右移動π／2，轉子被st2吸引而停止。
??? 第三步，圖2．14(c)中，stl的線圈電流反向通電，定子極性反轉，轉子再旋轉π／2后靜止。
??? 第四步，圖2 14(d)中，st2的線圈電流反向通電．定子極性反轉，轉子再旋轉π／2后靜止。
?? 再返回圖2．14(a)，依次(b)、(c)、(d)反復循環，不斷旋轉。以上為兩相PM型爪極步進電機的運行原理。
??? 根據以上敘述,一個步距角轉子磁極極距的l／2，走4步為一個循環。步距角由轉子的極數來決定，定子的極數對轉矩的增加有影響。當然，此型步進電機有單極(uni-polar)型和雙極(b1一polar)型，均伴隨定子磁極磁化而旋轉，反轉亦相同。
三、反應式（VR型)步進電機原理
??1、結構：
??電機轉子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。
0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3て，C與齒3向右錯開2/3て，A’與齒5相對齊，（A’就是A，齒5就是齒1）下面是定轉子的展開圖：
2、旋轉：
??如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉子不受任何力以下均同）。
?? 如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉子向右移過1/3て，此時齒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應與C對齊，此時轉子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。
?如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉子又向右移過1/3て，這樣經過A、B、C、A分別通電狀態，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉。如按A，C，B，A……通電，電機就反轉。
??由此可見：電機的位置和速度由導電次數（脈沖數）和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。
??不過，出于對力矩、平穩、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導電狀態，這樣將原來每步1/3て改變為1/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變為1/12て，1/24て，這就是電機細分驅動的基本理論依據。
??? 不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制——這是步進電機旋轉的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。??
3、力矩：
??電機一旦通電，在定轉子間將產生磁場（磁通量Ф）當轉子與定子錯開一定角度產生力
F與（dФ/dθ）成正比
其磁通量Ф=Br*S??
Br為磁密，S為導磁面積??????
????????????? F與L*D*Br成正比
????????????? L為鐵芯有效長度，D為轉子直徑
????????????? Br=N·I/R
N·I為勵磁繞阻安匝數（電流乘匝數）R為磁阻。
力矩=力*半徑
力矩與電機有效體積*安匝數*磁密成正比（只考慮線性狀態）
因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。
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四、混合式（HB型）步進電機原理
????1兩相混合式步進電機的結構
??? 工業控制中采用如圖4.1所示的定子磁極上帶有小齒，轉子齒數很多的結構，其步距角可以做得很小。如圖4.1兩相混合式步進電動機的結構圖，和圖4.2步進電機繞組接線圖，A、B兩相繞組沿徑向分相，沿著定子圓周有8個凸出的磁極，1、3、5、7磁極屬于A相繞組，2、4、6、8磁極屬于B相繞組，定子每個極面上有5個齒，極身上有控制繞組。轉子由環形磁鋼和兩端鐵芯組成，環形磁鋼在轉子中部，軸向充磁，兩段鐵芯分別裝在磁鋼的兩端，使得轉子軸向分為兩個磁極。轉子鐵芯上均勻分布50個齒，兩段鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距，定轉子的齒距和齒寬相同。
2兩相混合式步進電機的工作原理
當兩相控制繞組按
的次序輪流通電，每拍只有一相繞組通電，四拍構成一個循環。當控制繞組有電流通過時，便產生磁動勢，它與永久磁鋼產生的磁動勢相互作用，產生電磁轉矩，使轉子產生步進運動。
當A相繞組通電時，在轉子N極端磁極1上的繞組產生的S磁極吸引轉子N極，使得磁極1下是齒對齒，磁力線由轉子N極指向磁極1的齒面，磁極5下也是齒對齒，磁極3和7是齒對槽，如圖4.4所示A相通電轉子N極端定轉子平衡圖。由于兩段轉子鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距，在轉子S極端，磁極1’和5’產生的S極磁場，排斥轉子S極，與轉子正好是齒對槽，磁極3’和7’齒面產生N極磁場，吸引轉子S極，使得齒對齒。A相繞組通電時轉子N極端、S極端轉子平衡圖如圖4.3。
因轉子上共有50個齒，其齒距角為360°/50=7.2°，定子每個極距所占的齒數為不是整數，因此當定子的A相通電，在轉子N極，磁極1的5個齒與轉子齒對齒，旁邊的B相繞組的磁極2的5個齒和轉子齒有1/4齒距的錯位，即1.8°，如圖4.4所示A相通電時定轉子齒展開圖畫圓圈的地方，A相磁極3的齒和轉子就會錯位3.6°，實現齒對槽了。磁力線是沿轉子N端→A（1）S磁極→導磁環→A（3’）N磁極→轉子S端→轉子N端，成一閉合曲線。當A相斷電B相通電時，磁極2產生N極性，吸合離它最近的S極轉子7齒，使得轉子沿順時針方向轉動1.8°，實現磁極2和轉子齒對齒，B相繞組通電定轉子齒展開圖如圖4.5所示，此時磁極3和轉子齒有1/4齒距的錯位。依次類推若繼續按四拍的順序通電，轉子就按順時針方向一步一步地轉動，每通電一次即每來一個脈沖轉子轉過1.8°，即稱步距角為1.8°，轉子轉過一圈需360°/1.8°=200個脈沖（見圖4.4、4.5）。
在轉子S極端也是同樣道理，當繞組齒對齒時，其旁邊一相磁極錯位1.8°。
