一、步進(jìn)電機(jī)概述

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的開環(huán)控制元件。如果不是過載，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止位置僅由脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)決定，不受負(fù)載變化的影響。也就是說，如果給馬達(dá)添加脈沖信號(hào)，馬達(dá)就會(huì)打開階躍角。這種線性關(guān)系的存在和步進(jìn)電機(jī)具有周期性的單級(jí)誤差和累積誤差等特點(diǎn)。在速度、位置等控制領(lǐng)域，可以用步進(jìn)電機(jī)輕松控制。

步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)與普通直流電機(jī)和交流電機(jī)不同，并不是日常使用的。步進(jìn)電機(jī)必須用作由雙環(huán)脈沖信號(hào)、電力驅(qū)動(dòng)電路等組成的控制系統(tǒng)。因此，使用好步進(jìn)電機(jī)并不容易。涉及到很多專業(yè)知識(shí)，如機(jī)械、電機(jī)、電子和計(jì)算機(jī)。

這里以廣泛使用的感應(yīng)步進(jìn)電機(jī)為例，說明基本工作原理。希望對(duì)廣大用戶的選擇、使用和整機(jī)改進(jìn)有幫助。

二、永磁感應(yīng)步進(jìn)電機(jī)工作原理

(一)反應(yīng)性步進(jìn)電機(jī)原理

因?yàn)榉磻?yīng)性步進(jìn)電機(jī)的工作原理比較簡(jiǎn)單。下面首先說明三相反應(yīng)性步進(jìn)電機(jī)的原理。

1.結(jié)構(gòu)：電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布多個(gè)小齒，定子齒有三個(gè)磁軌道電阻，其幾何軸分別與轉(zhuǎn)子齒軸交錯(cuò)。0、1/3、2/3、(兩個(gè)相鄰的轉(zhuǎn)子齒軸之間的距離是齒距，即a與齒1對(duì)齊，b與齒2向右交錯(cuò)1/3，c與齒3向右交錯(cuò)2/3，a '與齒5對(duì)齊，

2、旋轉(zhuǎn)：A相通電，B、C相不通電時(shí)，磁場(chǎng)作用使牙齒1與A對(duì)齊(轉(zhuǎn)子不受任何力)。

B相通電后，當(dāng)A、C相不通電時(shí)，齒2必須與B對(duì)齊。此時(shí)，如果轉(zhuǎn)子向右移動(dòng)三分之一，則齒3和C偏移為三分之一，齒4和A偏移(和-1/3的)=2/3。

C相通電后，A、B相不能通電，齒3必須與C對(duì)齊。此時(shí)，轉(zhuǎn)子再向右移動(dòng)三分之一。此時(shí)，齒4和A偏移將以三分之一對(duì)齊和對(duì)齊。

A相不通電，B、C相不通電，牙齒4與A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子向右移動(dòng)三分之一，這樣分別打開A、B、C、A，牙齒4(例如牙齒1前面的牙齒)移動(dòng)到A相，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子向右旋轉(zhuǎn)一個(gè)齒距。打開電源，馬達(dá)就會(huì)反轉(zhuǎn)。

由此可見，電機(jī)的位置和速度以導(dǎo)電數(shù)(脈沖數(shù))和頻率一對(duì)一地對(duì)應(yīng)。方向由導(dǎo)電順序決定。但是有力矩、穩(wěn)定性、噪音、角度減少等方面的考慮。通常使用傳導(dǎo)狀態(tài)(例如A-AB-B-BC-C-CA-A)將每個(gè)步驟的三分之一更改為六分之一。甚至通過兩相電流的不同組合，將1/3變成1/12，1/24，這是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論基礎(chǔ)。

不難推出：電機(jī)定子有M相磁阻，其軸分別在轉(zhuǎn)子齒軸上1/M、2/M。偏移為(M-1)/M，1。而且，電導(dǎo)率是一定的上旬馬達(dá)，可以正向逆轉(zhuǎn)——。這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。如果滿足這個(gè)條件，我們理論上可以制造任何階段的步進(jìn)電機(jī)，由于成本等多種原因，市場(chǎng)上一般有2、3、4、5個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。

3.力矩：馬達(dá)打開后，轉(zhuǎn)子之間會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)(磁通量)。轉(zhuǎn)子與定子交錯(cuò)一定角度時(shí)，力F與(D/D/d)成正比。

磁通量=br * s

Br是磁密度，s是磁感應(yīng)面積

f與L*D*Br成比例

l是鐵芯的有效長(zhǎng)度，d是轉(zhuǎn)子直徑

Br=n I/r

N I以磁阻圈運(yùn)動(dòng)員(電流乘權(quán)運(yùn)動(dòng)員)R為磁阻。

力矩=力*半徑

力矩與電動(dòng)機(jī)的有效體積*安培噸*磁密度成正比(僅考慮線性狀態(tài))

因此，馬達(dá)的有效體積越大，磁安培的數(shù)量越大，轉(zhuǎn)子之間的間距越小，馬達(dá)力矩越大，反之亦然。

連續(xù)步進(jìn)電機(jī)原理及使用指南(一)

(二)永磁感應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的工作原理。

以下是兩相和四相電感步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的示例。

1、結(jié)構(gòu)：

電機(jī)定子有四個(gè)磁阻，轉(zhuǎn)子均勻分布許多小牙齒，加上永磁體，使多對(duì)N-S齒極沿轉(zhuǎn)子軸方向分布，N、S齒極相互交錯(cuò)1/2 (相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)子齒軸之間的距離，即齒距)。使轉(zhuǎn)子齒形軸向左交錯(cuò)。0，1/4，2/4，3/4。下面是一組四相電機(jī)、轉(zhuǎn)子展開后的工作原理圖(見圖1)。

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2、四相電機(jī)旋轉(zhuǎn)

以四相單四拍即A—B—C—D—A通電方式，轉(zhuǎn)子不受外力為例。

第一拍：當(dāng)A相通正向電流(如圖示電流方向)，B、C、D相不通電時(shí)，有工作原理圖可看出，定子A極產(chǎn)生S極磁場(chǎng)，由于磁場(chǎng)作用，轉(zhuǎn)子N1齒將與定子A極軸線與相對(duì)齊，而N2齒與B極，N3齒與C極，N4齒與D極，N5齒與A極的軸線以次向右錯(cuò)開1/4τ, 2/4τ, 3/4τ,1τ。(如圖1)

第二拍：當(dāng)B相通正向電流，A、C、D相不通電時(shí)，N2齒將于B極軸線相對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過1/4τ，而N3齒與C極，N4齒與D極，N5齒與A極軸線以次向右錯(cuò)開1/4τ, 2/4τ, 3/4τ。

同理，第三拍C相通正向電流，轉(zhuǎn)子又向右轉(zhuǎn)過1/4τ。第四拍D相通正向電流，D與N4相對(duì)齊，轉(zhuǎn)子再次向右轉(zhuǎn)過1/4τ,N5齒與A極軸線向右錯(cuò)開1/4τ。

當(dāng)再到A相通正向電流時(shí)，N5齒與A極軸線相對(duì)齊，至此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距τ，如果不斷地按A-B-C-D-A…通電，電機(jī)就按每步(每脈沖)1/4τ向右連續(xù)旋轉(zhuǎn)。如按A-D-C-B-A……通電，電機(jī)則反轉(zhuǎn)。

如果通的不是正向電流而是反向電流，定子產(chǎn)生的不是S極而是N極，每相通電時(shí)對(duì)應(yīng)的S齒與其軸線向?qū)R，旋轉(zhuǎn)的方向不變。

3、兩相電機(jī)旋轉(zhuǎn)

不難發(fā)現(xiàn)：當(dāng)A通正向電流時(shí)N1齒與A極軸線相對(duì)齊，S3齒與C極軸線向?qū)R，與C相通反相電流的效果一樣。A相通反向電流和C相通正向電流的效果一樣。同樣B相和D相的關(guān)系與A和C的關(guān)系一樣。

在A相通正向電流時(shí)同時(shí)在C相通反向電流，在C相通正向電流時(shí)同時(shí)在A相通反相電流，在通B、D相電流時(shí)也一樣。這樣的通電方式顯然比四相單四拍通電時(shí)勵(lì)磁繞組的利用率高，電機(jī)產(chǎn)生的力矩大。用A表示A相通正相電流， A+表示A相通反向電流，B表示B相通正向電流，B+表示B相通反向電流。四相單四拍A—B—C—D—A通電方式就可以用A—B—A+—B+—A單四拍的通電方式。這種只有A，B二種勵(lì)磁繞組通電方式稱二相驅(qū)動(dòng)，這樣的電機(jī)稱二相電機(jī)。