第四章 步进电动机 4-1 概 述 步进电动机 stepping motor 是将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的一种特殊电机 每输入一个电脉冲信号 电机就转动一个角度 它的运动形式是步进式的 所以称为步进电动机 又由于它输入的是脉冲电流 所以也叫脉冲电动机 步进电动机在不需要变换的情况下 能直接将数字脉冲信号转换成角位移或线位移 因此它很 适合作为数字控制系统的伺服元件 此外 它还具有一系列的优点 一是输出角位移量或线位移量 与其输入的脉冲数成正比 而转速或线速度与脉冲的频率成正比 在负载能力范围内 这些关系不 受电压的大小 负载的大小 环境条件等外界各种因素的干扰 二是它每转一周都有固定的步数 所以步进电动机在不失步的情况下运行 其步距误差不会长期积累 三是控制性能好 它可以在开 环系统中在很宽的范围内通过改变脉冲的频率来调节电机的转速 并且能够快速启动 制动和反转 四是有些型式的步进电动机在停止供电的状态下还有定位转矩 有些型式在停机后某些相绕组仍保 持通电状态 具有自锁能力 不需要机械制动装置等 当采用速度和位置检测装置后 它可构成闭 环控制系统 计算机技术 电力电子技术和微电子技术的发展 给步进电动机的应用开辟了广阔的前景 应 用非常广泛 如数控机床 绘图机 自动记录仪表 遥控装置和航空系统等等 都大量使用步进电 动机 步进电动机的主要缺点是效率较低 并且需要专用电源供给电脉冲信号 带负载惯量的能力不 强 在运行中会出现共振和振荡问题 步进电动机的种类很多 主要有反应式 永磁式和混合式 近年来又发展有直线步进电动机和 平面步进电动机等 其中反应式步进电动机结构较简单应用比较普遍 而且其他类型步进电动机的 基本原理与它基本相似 所以本章着重分析反应式步进电动机 4-2 一 1 反应式步进电动机的结构及工作原理 反应式步进电动机的结构 按定转子铁芯的段数分为单段式和多段式两种 单段式 反应式步进电动机的结构形式很多 单段式是定转子为一段铁芯 由于各相绕组沿圆周方向均匀排列 所以又称为径向分相式 它 是步进电动机中使用多的一种结构形式 如图 4-1 为三相反应式步进电动机的径向截面图 定转 子铁芯由硅钢片叠压而成 叫一相 数 定子磁极为凸极式 磁极的极面上开有小齿 所以定子磁极数通常为相数的两倍 定子 p 为极对数 m 为相 而且 上有三

　　关于永磁伺服电机的电磁结构近通过互联网查阅和了解了新型伺服电机的电磁结构原理。记得一年半以前曾定性地推演过在国外大已日渐流行流行的12槽10极电机的转定子间齿槽和磁极的对应关系，然而由于当时不熟悉分数槽永磁电机的设计理论，而且发现几乎所有的编码器制造商提供的带UVW换相信号的增量式编码器都没有5对极的，因此只是简单地认为12槽10极新型电磁结构的电机是对传统整数槽电机电磁结构的颠覆，而且具有体积效率高，闭合磁路短，定位力矩小，推力波动低等优点。 后来发现早在1999年前后问世的三菱J2系列伺服竟然采用9槽8极电机，对其电磁原理百思不得其解，毕竟思维的出发点还是限制在传统的整数槽磁极布置的框框下，不明白在磁极必须成对出现的前提下，如果是9槽6极很好理解，而9槽8极该如何分配相序关系？ 直到近才偶尔发现一家专门从事电磁分析的日本企业的网站上，介绍如何降低齿槽定位力的方法中提到了9槽6极传统布局和9槽8极新型布局间的差别，并指出相比之下，9槽8极比9槽6极的齿槽力矩可以小几乎一个数量级，这才豁然开朗。 为此，我针对这类新型分数槽永磁伺服电机，比如三菱的9槽8极结构和目前日渐流行的12槽10极结构中的转定子齿槽和磁极关系，制作了简单的平面模型，定性推演了这类新型分数槽永磁伺服电机的三相初级铁芯的各个齿槽在不同通电相位条件下的电磁极性，以及它们和相互错位的转子永磁磁极间的磁场作用关系，进而定性地推演出这类新型分数槽永磁伺服电机转子永磁磁极在通以三相对称交流电流的定子绕组产生的旋转磁场作用下行程差动连续运行的机理。作为对比，也组合制作了12槽8极传统整数槽永磁伺服电机的转定子齿槽和磁极关系的简单平面模型，并对比分析了传统整数槽永磁伺服电机定子电磁场与转子永磁场之间的作用关系和转子连续运行的机理。 进一步通过文献学习了解到和传统整数槽永磁伺服电机相比，这类新型分数槽永磁伺服电机具有齿槽定位力更小，反电势正弦度更好，力矩波动更小，磁通路径短，甚至体积效率更高，工艺性更好等优点。因

　　如有帮助，欢迎支持。 步进电机的种类、结构及工作原理 步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。在此系统中，混合式步进电机执行元件是步进电机。它受驱动 控制线路的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械 转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较 差，速度也受到步进电机性能的限制。但它的结构和控制简单、容易调整，故在速度和精度 要求不太高的场合具有一定的使用价值。 1.步进电机的种类 步进电机的分类方式很多，常见的分类方式有按产生力矩的原理、按输出力矩的大小以及按 定子和转子的数量进行分类等。根据不同的分类方式，可将步进电机分为多种类型，如表 5-1 所示。 表 5-1 步进电机的分类 分类方式 按力矩产生的原理 按输出力矩大小 具体类型 （1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现 步进运行 （2）激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用磁钢），由电 磁力矩实现步进运行 （1）伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几（N·m）只能驱 动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大 的负载 按定子数 按各相绕组分布 （2）功率式：输出力矩在 5-50 N·m 以上，可以直接驱动机床工作 台等较大的负载 （1）单定子式（2）双定子式（3）三定子式（4）多定子式 （1）径向分布式：电机各相按圆周依次排列 （2）轴向分布式：电机各相按轴向依次排列 2.步进电机的结构 1 如有帮助，欢迎支持。 目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。在反应式步进电机中，有轴向分相和径向 分相两种，如表 5--1 所述。 图 5--2 是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。它与普通电机 一样，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片 叠压而成，其形状如图中所示。定子绕组是绕置在定子铁心 6 个均匀分布的齿上的线圈，在 直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图 5--2 所示的步进电 机可构成三相控制绕组，故也称三相步进电机。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极， 其方向即图中所示的 NS 极。在定子的每个磁极上，即定子铁心上的每个齿上又开了 5 个小 齿，齿槽等宽，齿间夹角为 9°，转子上没有绕组，只有均匀分布

　　步进电机的种类、结构及工作原理 步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。在此系统中，执行元件是步进电机。它受驱动 控制线路的控制， 将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、 大小和速度的机械 转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较 差，速度也受到步进电机性能的限制。但它的结构和控制简单、容易调整，故在速度和精度 要求不太高的场合具有一定的使用价值。 1.步进电机的种类 步进电机的分类方式很多， 常见的分类方式有按产生力矩的原理、 按输出力矩的大小以及按 定子和转子的数量进行分类等。根据不同的分类方式，可将步进电机分为多种类型，如表 5-1 所示。 表 5-1 步进电机的分类 分 类 方 式 具 体 类 型 （1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现 步进运行 按力矩产生的原理 （2）激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用磁钢），由电 磁力矩实现步进运行 （1）伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几（N·m）只能驱 动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大 按输出力矩大小 的负载 （2）功率式：输出力矩在 5-50 N·m 以上，可以直接驱动机床工作 台等较大的负载 按定子数 （1）单定子式（2）双定子式（3）三定子式（4）多定子式 （1）径向分布式：电机各相按圆周依次排列 按各相绕组分布 （2）轴向分布式：电机各相按轴向依次排列 2.步进电机的结构 目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。混合式步进电机在反应式步进电机中，有轴向分相和径向 分相两种，如表 5--1 所述。 图 5--2 是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。它与普通电机 一样，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片 叠压而成，其形状如图中所示。定子绕组是绕置在定子铁心 6 个均匀分布的齿上的线圈，在 直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图 5--2 所示的步进电 机可构成三相控制绕组，故也称三相步进电机。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极， 其方向即图中所示的 NS 极。在定子的每个磁极上，即定子铁心上的每个齿上又开了 5 个小 齿，齿槽等宽，齿间夹角为 9° ，转子上没有绕组，只有均匀分布的 40 个小齿

　　. 步进电动机的结构与工作原理 步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。混合式步进电机每来一个电脉冲，电机转动 一个角度，带动机械移动一小段距离。 步进电动机 步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。主要要求：动作灵敏、步进电机准确、重量轻、体积小、运行可靠、 耗电少等。 步进电动机的特点： (1)来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变方向。 步进电动机的种类 根据励磁式方式的不同分为：反应式、永磁式和混合式（又叫感应子式）三种。反应式步进电机 的应用较多。 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。 图7-20 （a）三相反应式步进电动机工作原理图 A 相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的 作用下，转子被磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻小，使转、定子的齿对齐 停止转动。 . . A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。 图7-20 （b）三相反应式步进电动机工作原理图 同理，B 相通电，转子2、4齿和 B 相轴线对齐，相对 A 相通电位置转30 ； 图7-20 （c）三相反应式步进电动机工作原理图 后，C 相通电，转子1、3齿和 C 相轴线对齐，相对 B 相通电比较，转子再次转动30 。 步进电动机的结构 步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，以三相为例其定子和转子上分别有 六个、四个磁极 。 . . 步进电动机结构简图 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。 注意：这里的相和交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和 组数的区别。 . . 图7-22 三相反应式步进电动机结构原理图 步进电动机工作方式 (以三相步进电机为例)步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相六拍、三相双三拍等。 一、三相单三拍 三相绕组中的通电顺序为： 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相 单三拍。 三相单三拍的特点： 1）每来一个电脉冲，转子转过 30 。此角称为步距角，用 b 表示。 2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。 .

　　步进电动机的结构与工作原理 步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动 一个角度，带动机械移动一小段距离。 步进电动机 步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。主要要求：动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、 耗电少等。 步进电动机的特点： 步进电动机的特点： (1)来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变方向。 步进电动机的种类 根据励磁式方式的不同分为：反应式、永磁式和混合式（又叫感应子式）三种。反应式步进电机 的应用较多。 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。 图7-20 （a）三相反应式步进电动机工作原理图 三相反应式步进电动机工作原理图 A 相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的 作用下，转子被磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻小，使转、定子的齿对齐 停止转动。 A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。 图7-20 （b）三相反应式步进电动机工作原理图 三相反应式步进电动机工作原理图 同理，B 相通电，转子2、4齿和 B 相轴线对齐，相对 A 相通电位置转30； 图7-20 （c）三相反应式步进电动机工作原理图 后，C 相通电，转子1、3齿和 C 相轴线对齐，相对 B 相通电比较，转子再次转动30。 步进电动机的结构 步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，步进电机以三相为例其定子和转子上分别有 六个、四个磁极 。 步进电动机结构简图 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。 注意：这里的相和交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和 组数的区别。 图7-22 三相反应式步进电动机结构原理图 步进电动机工作方式 (以三相步进电机为例)步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相六拍、三相双三拍等。 一、三相单三拍 三相绕组中的通电顺序为： 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，步进电机一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相 单三拍。 三相单三拍的特点： 1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为步距角，用b 表示。 2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变
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