1、 浅析步进电机原理及 特性 作者：马雪原 指导教师 :齐凤英 摘要 介绍了步进电机的组成、分类及工作原理。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单项式步进电机。步进电机是将电脉信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。 关键字 永磁式步进电机 反应式步进电机 混合式步进电机 一、概述 步进电机最早是在 1920 年由英国人所开发。 1950 年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用 在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省
2、人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一 , 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 二、步进电机的组成 步进电机的组成：由转子（转子铁心、永磁体、转轴、滚珠轴承）， 定子（绕组、定子铁芯）， 前后端盖等组成。最典型两相混合式步进电机的定子有 8 个大齿， 40个小齿，转子有 50 个小齿；三相点击的定子有 9 个大齿， 45 个小齿，转子有 50个小齿。 步进电机外部结构
3、步进电机内部结构 三、步进电机的分类 1、 按工作原理分： 反应式、永磁式、混合式三种。 (1)、 永磁式步进电机 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度或 15 度； 永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。 (2)、 反应式步进电机 应式步进电机一般为三 相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩 。 反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。 (3)、 混合式步进电机 混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优
4、点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛 。 2、 按输出转矩大小分 ： 快速步进电机 (输出扭矩 0.07 至 4N m) 功率步进电机 (输出扭矩 5 至 40N m) 四、步进电机的工作原理 1、基本原理 通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，
5、电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、 频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。 2、以反应是步进电机为例说明 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。 旋转： 如 A 相通电， B， C 相不通电时，由于磁场作用，齿 1 与 A 对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如 B 相通电， A， C 相不通电时，齿 2 应与 B 对齐，此时转子向右移过 1/3 ，此时齿 3 与 C 偏移为 1/3 ，齿 4 与 A 偏移（ -1/3） =2/3 。 如 C
6、 相通电， A， B 相不通电，齿 3 应与 C 对齐，此时转子又向右移过 1/3 ，此时齿 4 与 A 偏移为 1/3 对齐。 如 A 相 通电， B， C 相不通电，齿 4 与 A 对齐，转子又向右移过 1/3 这样经过 A、 B、 C、 A 分别通电状态，齿 4（即齿 1 前一齿）移到 A 相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A， B， C， A 通电，电机就每步（每脉冲） 1/3 ,向右旋转。如按 A， C， B，A 通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往
7、往采用 A-AB-B-BC C-CA-A 这种导电状态，这样将原来每步 1/3 改变为 1/6。甚至于 通过二相电流不同的组合，使其 1/3 变为 1/12 ， 1/24 ，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有 m 相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移 1/m,2/m(m -1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制 这是旋转的物理条件。 3、步进电机的静态指标术语 相数：产生不同对极 N、 S 磁场的激磁线圈对数。常用 m 表示。 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 n 表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数 。 步距角：对应一个脉冲信号，
8、电机转子转过的角位移用 表示 。 定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的） 静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。 4、动态指标及术语： (1)、步距角精度： 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差 /步距角 *100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在 5%之内，八拍运行时应在 15%以内。 (2)、失步： 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 (3)、失调角： 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转 必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决
9、的。 (4)、最大空载起动频率： 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。 (5)、最大空载的运行频率： 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 五、步进电机的优缺点 1、 步进电机在低速时易出现低频振动现象 振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时 ，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 2、步进电机矩频特性 步进电机的输出力矩随转速升高而下降
10、，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在 300 600RPM。 3、步进电机运行性能 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步 进电机将会在更多的领域得到应用。 参考文献 步进电机应用技术 作者 :坂本正文 出版社 :科学出版社 步进电动机及其驱动控制系统 作者 :程树康 ,刘宝廷等 .出版社 :哈尔滨工业大学出版 汪立亮 . 现代电子控制系统原理与维修
11、. 北京：电子工业出版社， 2011.9 德国 BOSCH 公司著； 魏春源等译 .汽车电器与电子 . 北京理工大学出版社， 2004.7 肖永清，杨忠敏 .现代家用汽车电器系统疑难故障诊断实例 .人民邮电出版社，2005.1 杨占鹏，杨民强 .福特系列轿车电子与电气系统维修手册 .北 京理工大学出版社，2013.4 中国机械网： http:/ 中国环境标准网： http:/ 电控汽油机进气及排放控制技术浅析： http:/ 汽车之家： http:/ 汽车电控发动机检测与控制 长春工业大学学报 (自然科学版 ) 2012-04-15 熊英 .电控汽油机喷射控制技术浅析 J.黑龙江科技信息 ,2013,22:11.
