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2023-06-26
步进电动机的原理解析与应用
【摘要】：步进电动机定子有多相绕组，各相绕组依次通电。图7.3所示为三相反应式步进电动机原理，其定子有六个极，每极都装有控制绕组，每两个相对的极组成一相，六个极组成三相。步进电动机的绕组通电和断电一般由环形脉冲分配器控制。图7.3 步进电动机原理步进电动机每改变一次通电方式称为一拍，每拍通电转子转过的角度称为步距角θs。
步进电动机（Step Motor）主要有两类，即反应式步进电动机（磁阻式步进电动机）和感应式步进电动机（永磁式步进电动机）。两种步进电动机定子结构相同，不同之处在转子，反应式步进电动机转子是凸极铁心，感应式步进电动机转子嵌有永久磁铁。步进电动机定子有多相绕组，各相绕组依次通电。图7.3所示为三相反应式步进电动机原理，其定子有六个极，每极都装有控制绕组，每两个相对的极组成一相，六个极组成三相。转子铁心上有四个均匀分布的齿，齿上没有绕组。当A相绕组通电时，因为磁通有使磁路磁阻最小的特性，因此拉动转子齿1、3与定子极AA′对齐（见图7.3a）。当A相绕组断电、B相绕组通电时，磁路磁阻最小的特性使转子转过30°，使齿2、4与定子极BB′对齐（见图7.3b）。当B相断电、C相通电时，转子又转过30°，如此按A→B→C→A顺序循环通电，步进电动机将顺时针旋转。若三相绕组按A→C→B→A的顺序通电，步进电动机将逆时针旋转。步进电动机转动速度取决于绕组通电和断电的频率。步进电动机的绕组通电和断电一般由环形脉冲分配器控制。
图7.3 步进电动机原理
步进电动机每改变一次通电方式（接收一个脉冲）称为一拍，每拍通电转子转过的角度称为步距角θs。三相步进电动机定子绕组通电方式有多种：
1）三相单三拍通电方式。按A→B→C→A顺序通电的方式称为三相单三拍，“单”是指每次只有一相绕组得电；三拍是指三次绕组切换为一个循环，每拍步距角θs为30°。单三拍通电方式容易造成丢步，由单绕组通电牵引转子也容易造成转子振荡，运行的稳定性较差，所以很少使用。
2）三相双三拍通电方式。双三拍通电方式是按AB→BC→CA→AB顺序通电，每次有两相绕组同时通电，每拍通电转子停留在定子两相中间位置，每拍转子的步距角θs与单三拍相同，为30°。常用是双三拍通电方式。
3）三相六拍通电方式。这时绕组通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A，就是A相通电后的一拍接通B相，使A相和B相同时通电，然后在再下一拍时断开A相，由B相单独通电，然后是同时接通B和C相，再C相单独通电，依次进行，定子绕组需经过六次切换才完成一个循环，故称为“六拍”。由于六拍中有一相绕组通电和两相绕组通电两种情况，因此也称单、双六拍。单、双六拍两相绕组同时通电时，转子齿停留在两相中间位置，一相通电时转子齿与通电相对齐，从A相得电到B相单独得电，要经过两拍转子才转过30°，所以步距角θs=30°/2=15°。改变通电顺序为A→AC→C→CB→B→BA→A，步进电动机反转。
反应式步进电动机转子齿数z基本上由对步距角的要求决定，为了使一相绕组通电时转子在该相牵引下转过一个步距角，对于m相步进电动机，转子齿数应为
式中，2p为步进电动机定子极数；m为相数；K为正整数。
步进电动机的步距角
式中，z为转子齿数；k为状态系数，在采用单拍或双拍工作方式时k=1，在采用单、双拍工作方式时k=2。
若步进电动机通电频率为f，则步进电动机的转速（r/min）为
步进电动机有二相、三相、四相、五相、六相，甚至更多相数，相数和齿数越多，步距角越小，在脉冲频率一定时，步进电动机的转速就越低。由于相数越多步进电动机成本越高，驱动脉冲电源越复杂，因此步进电动机一般最多为六相。
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2023-06-19
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