什么是步进电动机?

[拼音]：bujin diandongji

[外文]：stepping motor

把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的微特电机。在自动控制装置中作为执行元件。每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，所以又称脉冲电动机、数字电动机。它是数模转换器的一种形式，比其他数模转换执行机构更经济。因此，步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置。

步进电动机的重要优点是不需要反馈装置便能提供非常精确的机械位置，因此在各类开环数字式控制系统中得到广泛应用。

步进电动机的驱动电源不同于一般直流电源和交流电源，它由变频脉冲信号源、脉冲分配器和脉冲放大器组成。由这一驱动电源给电机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。

步进电动机按照其结构和工作原理可分为两种基本类型：机电式和磁电式。

电动机由铁心、线圈、齿轮机构等组成（图1）。当螺线管线圈通电时，产生磁力，推动其铁心心子运动，通过齿轮机构使输出轴转动一角度，依靠抗旋转齿轮使输出转轴保持在新的工作位置；线圈再通电，转轴又转动一角度，依次进行步进运动。这种形式步进电机工作可靠，在低速时能产生很大的力矩，但用得不多。

其结构简单，可靠性高，价格低廉，应用广泛。主要有永磁式、反应式和永磁感应子式。

（1）永磁式步进电动机:定子由四相绕组组成（图2）。

当A相绕组通电时，转子磁钢将转向该相绕组所确定的磁场方向。当 A相断电、B相定子绕组被通电激励时， 就产生一个新的磁场方向，这时，转子就转动一角度而位于新的磁场方向上，被激励相的顺序决定了转子运动方向。若定子激励的变化太快，转子将不能和定子磁场方向的变化保持一致，转子即失步。起动频率和运行频率较低，是永磁式步进电动机的一个缺点。但永磁式步进电动机消耗功率较小，步矩角较大。

20世纪80年代初，出现了盘式结构的永磁式步进电动机，使步矩角及工作频率达到反应式步进电动机的水平。

（2）反应式步进电动机：在定、转子铁心的内外表面上设有按一定规律分布的相近齿槽，利用定、转子铁心的齿槽相对位置变化引起磁路磁阻的变化，从而产生转矩。其转子铁心由硅钢片或软铁做成，当定子某相被激励，转子将运动到使磁路磁阻最小的位置，磁路磁阻随转子转动而变化。因此，这种电动机又称可变磁阻式步进电动机。当另一相被激励，转子转到另一位置，使磁路磁阻为最小时，电动机就停止转动。这时，转子转过一个步矩角θb

（度）

式中N为转子转过一个齿距的运行拍数，ZR为转子齿数。

反应式步进电动机结构形式较多。定子铁心有单段式、多段式；磁路有径向、轴向；绕组相数有三相、四相、五相。典型的三相反应式步进电动机基本结构见图3。

反应式步进电动机步矩角可做到1°～15°，甚至更小，精度容易保证，起动与运行频率较高，但功耗较大，效率较低。

（3）永磁感应子式步进电动机：又称混合式步进电动机。是永磁式步进电动机与反应式步进电动机两者的结合。如图3所示，它的定、转子铁心结构与反应式步进电动机相似。转子由左右两段铁心组成，两段铁心轴向错开半个齿距，中间嵌有永磁铁。这样，在永磁铁S端的铁心呈S极，永磁铁N端的铁心呈N极。当定子绕组激励时，S极的转子铁心其小齿与定子N极1、5下的小齿相对，而与定子S极3、7下的小槽相对；在转子N极的右段铁心则正相反。

当1、3、5、7绕组断电，2、4、6、8绕组通电时，定子2、6呈N极，4、8呈S极。这时，S极的转子铁心其小齿与定子2、6下的小齿相对，而与定子4、8下的小槽相对，转子顺时针转动了1/4齿距的角度；同样，N极的转子铁心段也同方向转动了1/4齿距的角度。

永磁感应子式步进电动机兼有永磁式步进电动机与反应式步进电动机两者的优点，电机步距角小，精度高，工作频率高，且功耗小，效率高。

定子相励磁时，步进电动机产生一静转矩(即电磁转矩)，对永磁式步进电动机，转子被推到和定子磁场一致的位置方向；对反应式或永磁感应子式步进电动机，转子转到磁路磁阻最小的位置方向。这个转矩大小按一定周期变化。图4为反应式步进电动机的矩角特性曲线。

它表示步进电动机在单脉冲及通电电流不变情况下，静转矩与转子角位移之间的关系。永磁式步进电动机的矩角特性基本上是正弦的，反应式步进电动机的矩角特性基本上是非正弦的。矩角特性对电机的运行十分重要，它表示若有一足够大的外转矩，使转子偏离起始点足够远，这时静转矩降低，转子将不再能回到最初的起始点，而移到新的平衡位置，这是步进电动机的基本特性。

步进电动机从第一个脉冲信号的通电状态转换到第二个脉冲信号的通电状态，矩角特性曲线也由原来的曲线转变到新的特性曲线。随着控制频率的增加，电机的电磁转矩将降低。在负载惯量一定时，控制频率与负载转矩间的关系称矩频特性，它包括起动矩频特性和运行矩频特性。一般地讲，相数越多，电磁转矩越大，转动惯量越小，电路的时间常数越小，则控制频率越高。

步进电动机矩角特性中的转矩越大，带负载转矩和加速负载转矩的能力就越大。然而，这将使转子转动惯量增加，定子绕组电流增大。电流大使定子热损耗增加。电机欲发出较大转矩，就需产生更大转矩以加速自身，同时要防止定子过热烧毁，这就产生了动态问题。

电机在每步运行到稳定位置时，存在长时间的振荡，若附加一摩擦力矩来阻尼电机的振荡，这时，对最终所希望的位置也引入了一个误差区域或死区，这表示随着附加摩擦的增加，电机的精度将降低，阻尼越强，电机的高速性能将更差。因此，除非是简单的脉冲指令，一般要消除有害的振荡，就不得不牺牲一些电机的性能。

当电机以等于自然频率f0的脉冲频率运行时，电机将因振荡而失步。这时，电机不能实现一个脉冲指令运转一步的要求，由于没有反馈，电机不能满意地执行工作。对此，电机可以在低频下起动，慢慢带到高频下运行，或从高速情况下降低输入脉冲频率。

为克服上述电机的局限性，可采取合理编排步进指令的时间，就是让电机不是按固定的时间间隔步进运行。这些特殊指令的程序寄存到计算机存储器内。当电机执行这些指令时，把指令从存储器取出并馈送至电机。

步进电动机的主要特点是能实现精确定位、精确位移，且无积累误差。它的总位移量严格等于输入的指令脉冲数或平均转速严格正比于输入指令脉冲频率，且在工作频率范围内，可从一种运动状态稳定地转换到另一种运动状态。因此，步进电动机被广泛用于开环控制系统作执行元件。由于步进电动机靠脉冲指令进行控制，因此，最适用于数字计算机控制的场合，作为计算机的外部设备和数控设备的传动机构使用。例如，在计算机外部设备中用于磁盘存储器、穿孔机、光电输入机和控制打印机；在精密加工中，用于数控机床的进给系统、数控绕线机的自动排线；在数控绘图机中，根据数字信息，在X、Y二个方向，高精度、高速度地绘制图形；在传真机中，带动滚筒作恒速转动，进行扫描；在石英手表中，微型步进电动机通过石英晶体振荡产生的高稳定度频率电源来驱动轮系转动等。

步进电动机在应用中的主要要求是提高出力和快速性以及获得良好的运行性能，如较小的动态误差、静态误差，消除振荡，并且尽量减小功耗。

参考文章

步进电动机为什么会失步?电气技术

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