7.2　步进电机

7.2.1　步进电机的分类

步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的机电式数模转换器。其转子的转角与输入的电脉冲数成正比，它的速度与脉冲频率成正比，而运动方向是由步进电机通电的顺序所决定的。

步进电机是一种特殊的电机，一般电机通电后连续旋转，而步进电机则跟随输入脉冲按节拍一步一步地转动。对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个固定的角度，称为一步。每一步所转过的角度叫做步距角。步进电机的角位移量和输入脉冲的个数严格地成正比例，在时间上与输入脉冲同步。因此，只需控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组通电相序，便可获得所需的转角、转速及旋转方向。在无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于定位状态。

步进电机的结构形式很多，因此其分类方式也很多，常见的分类方式是按力矩的大小、力矩产生的原理、电机的励磁组数分类等。

①按步进电机输出转矩的大小可分为快速步进电机和功率步进电机。快速步进电机连续工作频率高，而输出转矩较小，可用于控制小型精密机床的工作台(例如线切割机)，可以和液压伺服阀、液压马达一起组成电液脉冲马达，驱动数控机床工作台。功率步进电机的输出转矩比较大，可直接驱动数控机床的工作台。

②按励磁组数可分为三相、四相、五相、六相甚至八相步进电机。

③按转矩产生的工作原理可分为电磁式、反应式以及混合式步进电机。数控机床上常用3～6相反应式步进电机。这种步进电机的转子无绕组，当定子绕组通电激磁后，转子产生力矩使步进电机实现步进。

7.2.2　步进电机的工作原理及特点

1.工作原理

图7－2－1所示是三相反应式步进电机工作原理图。步进电机由转子和定子组成。定子上有A，B，C三对绕组磁极，分别称为A相、B相、C相。转子是硅钢片等软磁材料迭合成的带齿廓形状的铁芯。这种步进电机称为三相步进电机。如果在定子的三对绕组中通直流电流，就会产生磁场。当A，B，C三对磁极的绕组依次轮流通电，则A，B，C三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。

①当A相通电，B相和C相不通电时，电机铁芯的AA方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子1，3齿与A相磁极对齐。2，4两齿与B，C两磁极相对错开30°。

②当B相通电、C相和A相断电时，电动机铁芯的BB方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向旋转30°，2，4齿与B相磁极对齐。1，3两齿与C，A两磁极相对错开30°。

③当C相通电，A相和B相断电时，电动机铁芯的CC方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向又旋转30°，1，3齿与C相磁极对齐。2，4两齿与A，B两磁极相对错开30°。

若按A→B→C…通电相序连续通电，则步进电机就连续地沿逆时针方向旋动，每换接一次通电相序，步进电机沿逆时针方向转过30°，即步距角为30°。如果步进电机定子磁极通电相序按A→C→B…进行，则转子沿顺时针方向旋转。上述通电方式称为三相单三拍通电方式。所谓“单”是指每次只有一相绕组通电的意思。从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每一拍转子转动一个步距角，故所谓“三拍”是指通电换接三次后完成一个通电周期。

图7－2－1　步进电机工作原理

还有一种通电方式称为三相六拍通电方式，即按照A→AB→B→BC→C→CA…相序通电，工作原理如图7－2－2所示。如果A相通电，1，3齿与A相磁极对齐。当A，B两相同时通电，因A极吸引1，3齿，B极吸引2，4齿，转子逆时针旋转15°。随后A相断电，只有B相通电，转子又逆时旋转15°，2，4齿与B相磁极对齐。如果继续按BC→C→CA→A…的相序通电，步进电机就沿逆时针方向，以15°的步距角一步一步移动。这种通电方式采用单、双相轮流通电，在通电换接时，总有一相通电，所以工作比较平稳。

实际使用的步进电机，一般都要求有较小的步距角。因为步距角越小它所达到的位置精度越高。图7－2－3是步进电动机实例。图中转子上有40个齿，相邻两个齿的齿距角360°/40=9°。三对定子磁极均匀分布在圆周上，相邻磁极间的夹角为60°。定子的每个磁极上有5个齿，相邻两个齿的齿距角也是9°。因为相邻磁极夹角(60°)比7个齿的齿距角总和(9°×7=63°)小3°，而120°比14个齿的齿距角总和(9°×14=126°)小6°，这样当转子齿和A相定子齿对齐时，B相齿相对转子齿逆时针方向错过3°，而C相齿相对转子齿逆时针方向错过6°。按照此结构，采用三相单三拍通电方式时，转子沿逆时针方向，以3°步距角转动。采用三相六拍通电方式时，则步距角减为1.5°。如通电相序相反，则步进电机将沿着顺时针方向转动。

图7－2－2　三相六拍通电方式工作原理

图7－2－3　步进电机实例

如上所述，步进电机的步距角大小不仅与通电方式有关，而且还与转子的齿数有关。计算公式为:

式中:m——定子励磁绕组相数;

z——转子齿数;

k——通电方式，相邻两次通电相数一样，k=1，不同时，k=2。

步进电机转速计算公式为:

式中:n——转速，〔n〕为r/min;

f——控制脉冲频率，即每秒输入步进电机的脉冲数;

θ——用度数表示的步距角。

由上式可见，当转子的步距角一定时，步进电机的转速与输入脉冲频率成正比。

2.步进电机的特点

步进电机的主要特点如下:

①步进电机的输出转角与输入的脉冲个数严格成正比，故控制输入步进电机的脉冲个数就能控制位移量。

②步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要控制脉冲频率就能调节步进电机的转速。

③当停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电机轴可以保持在某固定位置上，不需要机械制动装置。

④改变通电相序即可改变电机转向。

⑤步进电机存在齿间相邻误差，但是不会产生累积误差。

⑥步进电机转动惯量小，启动、停止迅速。

由于步进电机有这些特点，所以在开环数控系统中获得广泛应用。

7.2.3　步进电机的性能指标

1.单向通电的矩角特性

当步进电机不改变通电状态时，转子处在不动状态，即静态。如果在电机轴上外加一个负载转矩，使转子按一定方向(如顺时针)转过一个角度θ_e，此时，转子所受的电磁转矩T称为静态转矩，角度θ_e称为失调角，如图7－2－4a所示。步进电机的静态转矩和失调角之间的关系叫矩角特性，大致上是一条正弦曲线，如图7－2－4b。此曲线的峰值表示步进电机所能承受的最大静态负载转矩。在静态稳定区内，当外加转矩消除后，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点。

图7－2－4　步进电机的失调角和矩角特性

多相通电时的矩角特性，可根据单相通电的矩角特性以向量和的方式算出，计算结果如表7－2－1所示。其中最后一列表示多相通电时的合成转矩与单相通电时最大静态转矩的比值。

由表7－2－1可见，当步进电机励磁绕组相数大于3时，多相通电方式能提高输出转矩。所以功率较大的步进电机多数采用多于三相的励磁绕组，且多相通电。

表7－2－1　步进电机多相通电时的转矩

2.启动转矩

图7－2－5所示为三相步进电机的矩角特性曲线，则A相和B相的矩角特性交点的纵坐标值称为启动转矩。它表示步进电机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。

图7－2－5　步进电机的最大负载能力

当电机所带负载M_L＜M_q时，A相通电，工作点在m点，在此点M_Am=M_L。当励磁电流从A相切换到B相，而转子在点m位置时，B相励磁绕组产生的电磁转矩是M_BM＞M_L，转子旋转，前进到点n时，M_BN=M_L，转子到达新的平衡位置。显然，负载转矩不可能大于A，B两交点的转矩M_q，否则转子无法转动，产生“失步”现象。不同相数的步进电机的启动转矩不同，启动转矩如表7－2－2所示。

表7－2－2　步进电机启动转矩

3.空载启动频率

步进电机在空载情况下，不失步启动所能允许的最高频率称为空载启动频率。在有负载情况下，不失步启动所能允许的最高频率将大大降低。例如70BF3型步进电机的空载启动频率是1400Hz，负载达到最大静转矩的0.5倍时，降为50Hz。为了缩短启动时间，可使加到电机上的电脉冲频率按一定速率逐渐增加。

4.运行矩频特性与动态转矩

在步进电机正常转动时，若输入脉冲的频率逐渐增加，则电机所能带动的负载转矩将逐渐下降，如图7－2－6所示，图中的曲线称为步进电机的矩频特性曲线。可见，矩频特性曲线是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与运行频率之间的关系。在不同频率下步进电机产生的转矩称为动态转矩。

图7－2－6　运行矩频特性定子静态电流:9A(两相通电)，双电压供电:80V/12V