步进电机工作原理

步进电动机是一种将步进电动机是一种将步进电动机是一种将步进电动机是一种将电脉冲信号电脉冲信号电脉冲信号电脉冲信号转换成机械位移的机电执行转换成机械位移的机电执行转换成机械位移的机电执行转换成机械位移的机电执行 元件元件元件元件。。。。每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时，，，，其转轴就其转轴就其转轴就其转轴就 转过一个转过一个转过一个转过一个固定的角度固定的角度固定的角度固定的角度（（（（步距角步距角步距角步距角），），），），顺序连续地发给脉冲顺序连续地发给脉冲顺序连续地发给脉冲顺序连续地发给脉冲，，，，则电则电则电则电 机轴机轴机轴机轴一步接一步地运转一步接一步地运转一步接一步地运转一步接一步地运转。。。。 一一一一、、、、步进电机结构步进电机结构步进电机结构步进电机结构 图1 步进电机结构图 1111：：：：按工作原理分按工作原理分按工作原理分按工作原理分 反应式反应式反应式反应式、、、、永磁式永磁式永磁式永磁式、、、、混合式混合式混合式混合式（（（（Hybrid））））三种三种三种三种。。。。 (1)、、、、反应式步进电动机反应式步进电动机反应式步进电动机反应式步进电动机：：：：转子铁芯转子铁芯转子铁芯转子铁芯 用硅钢片或是软磁性材料用硅钢片或是软磁性材料用硅钢片或是软磁性材料用硅钢片或是软磁性材料 做成做成做成做成，，，，没有励磁绕组没有励磁绕组没有励磁绕组没有励磁绕组；；；； (2)、、、、永磁式步进电动机永磁式步进电动机永磁式步进电动机永磁式步进电动机：：：：转子铁芯是用永久性磁铁做的转子铁芯是用永久性磁铁做的转子铁芯是用永久性磁铁做的转子铁芯是用永久性磁铁做的，，，，没没没没 有励磁绕组有励磁绕组有励磁绕组有励磁绕组。。。。 (3)、、、、混合式步进电机混合式步进电机混合式步进电机混合式步进电机：：：：混合式步进电机综合混合式步进电机综合混合式步进电机综合混合式步进电机综合了反应式了反应式了反应式了反应式、、、、永磁永磁永磁永磁 式步进电动机两者的优点式步进电动机两者的优点式步进电动机两者的优点式步进电动机两者的优点，，，，它的步距角小它的步距角小它的步距角小它的步距角小，，，，出力大出力大出力大出力大，，，，动态性动态性动态性动态性 能好能好能好能好，，，，是目前性能最高的步进电动机是目前性能最高的步进电动机是目前性能最高的步进电动机是目前性能最高的步进电动机。。。。它有时也称作永磁感它有时也称作永磁感它有时也称作永磁感它有时也称作永磁感 应子式步进电动机应子式步进电动机应子式步进电动机应子式步进电动机。。。。 二二二二、、、、步进电机的分类步进电机的分类步进电机的分类步进电机的分类 2222：：：：按输出转矩大小分按输出转矩大小分按输出转矩大小分按输出转矩大小分：：：： 快速步进电机快速步进电机快速步进电机快速步进电机（（（（输出扭矩输出扭矩输出扭矩输出扭矩0.07~4N.m0.07~4N.m0.07~4N.m0.07~4N.m））））,,,,可控制小可控制小可控制小可控制小 型精密机床的工作台型精密机床的工作台型精密机床的工作台型精密机床的工作台；；；； 功率步进电功率步进电功率步进电功率步进电 机机机机（（（（输出扭矩输出扭矩输出扭矩输出扭矩5~40N.m5~40N.m5~40N.m5~40N.m），），），），可直接驱可直接驱可直接驱可直接驱 动机床移动部件动机床移动部件动机床移动部件动机床移动部件 。。。。 3333：：：：按励磁相数分有二按励磁相数分有二按励磁相数分有二按励磁相数分有二、、、、三三三三、、、、四四四四、、、、五五五五、、、、六六六六、、、、八相等八相等八相等八相等。。。。 三三三三、、、、步进电机的工作原理步进电机的工作原理步进电机的工作原理步进电机的工作原理 当给当给当给当给AAAA相通电时相通电时相通电时相通电时，，，，由于定子由于定子由于定子由于定子AAAA齿和齿和齿和齿和 转子的转子的转子的转子的1111齿对齐齿对齐齿对齐齿对齐，，，，没有切向力没有切向力没有切向力没有切向力，，，，转子转子转子转子 静止静止静止静止。。。。接着给接着给接着给接着给BBBB相绕组通电时相绕组通电时相绕组通电时相绕组通电时，，，，转子转子转子转子 位置如图位置如图位置如图位置如图（（（（aaaa），），），），转子齿偏离定子齿转子齿偏离定子齿转子齿偏离定子齿转子齿偏离定子齿 一个角度一个角度一个角度一个角度（（（（30303030°°°°）。）。）。）。由于由于由于由于励磁磁通励磁磁通励磁磁通励磁磁通 力图沿磁阻最小路径通过力图沿磁阻最小路径通过力图沿磁阻最小路径通过力图沿磁阻最小路径通过，，，，因此对因此对因此对因此对 转子产生电磁吸力转子产生电磁吸力转子产生电磁吸力转子产生电磁吸力，，，，迫使转子齿转迫使转子齿转迫使转子齿转迫使转子齿转 动动动动，，，，当转子转到与定子齿对齐位置当转子转到与定子齿对齐位置当转子转到与定子齿对齐位置当转子转到与定子齿对齐位置 时时时时((((图图图图b)b)b)b)，，，，因转子只受径向力而无切因转子只受径向力而无切因转子只受径向力而无切因转子只受径向力而无切 线力线力线力线力，，，，故转矩为零故转矩为零故转矩为零故转矩为零，，，，转子被锁定在转子被锁定在转子被锁定在转子被锁定在 这个位置上这个位置上这个位置上这个位置上。。。。 由此可见由此可见由此可见由此可见：：：：错齿是助使步进电错齿是助使步进电错齿是助使步进电错齿是助使步进电 机旋转的根本原因机旋转的根本原因机旋转的根本原因机旋转的根本原因。。。。 图图图图aaaa 图图图图bbbb 四四四四、、、、步进电动机的通电方式步进电动机的通电方式步进电动机的通电方式步进电动机的通电方式（（（（以三相步进电机为例以三相步进电机为例以三相步进电机为例以三相步进电机为例）））） 1. 1. 1. 1. 单相通电方式单相通电方式单相通电方式单相通电方式：：：：“单单单单”指每次切换前后只有一相绕组通电指每次切换前后只有一相绕组通电指每次切换前后只有一相绕组通电指每次切换前后只有一相绕组通电。。。。 正转正转正转正转：：：：AAAA－－－－BBBB－－－－Ｃ－ＡＣ－ＡＣ－ＡＣ－Ａ时时时时，，，，转子按顺时针方向一步一步转动转子按顺时针方向一步一步转动转子按顺时针方向一步一步转动转子按顺时针方向一步一步转动。。。。 反转反转反转反转：：：：AAAA－－－－Ｃ－Ｂ－ＡＣ－Ｂ－ＡＣ－Ｂ－ＡＣ－Ｂ－Ａ时时时时，，，，转子按逆时针方向一步一步转动转子按逆时针方向一步一步转动转子按逆时针方向一步一步转动转子按逆时针方向一步一步转动。。。。 3. 3. 3. 3. 单单单单、、、、双拍工作方式双拍工作方式双拍工作方式双拍工作方式：：：：单双两种通电方式的组合应用单双两种通电方式的组合应用单双两种通电方式的组合应用单双两种通电方式的组合应用 正转正转正转正转：：：：AAAA----ABABABAB----BBBB----BCBCBCBC----CCCC----CACACACA----AAAA 反转反转反转反转：：：：AAAA----ACACACAC----CCCC----CBCBCBCB----BBBB----BABABABA----AAAA 2. 2. 2. 2. 双拍工作方式双拍工作方式双拍工作方式双拍工作方式：：：：“双双双双”是指每次有两厢绕组通电是指每次有两厢绕组通电是指每次有两厢绕组通电是指每次有两厢绕组通电。。。。 正转正转正转正转：：：：ABABABAB----BCBCBCBC----CACACACA----ABABABAB 反转反转反转反转：：：：ACACACAC----CBCBCBCB----BABABABA----AC AC AC AC • 对于上述三相反应式步进电机对于上述三相反应式步进电机对于上述三相反应式步进电机对于上述三相反应式步进电机，，，，其运行方式有其运行方式有其运行方式有其运行方式有 单三拍单三拍单三拍单三拍、、、、单双拍及双三拍等通电方式单双拍及双三拍等通电方式单双拍及双三拍等通电方式单双拍及双三拍等通电方式。。。。 • “单单单单”、、、、“双双双双”、、、、“拍拍拍拍”的意思是的意思是的意思是的意思是：：：：“单单单单”是指每次切是指每次切是指每次切是指每次切 换前后只有一相绕组通电换前后只有一相绕组通电换前后只有一相绕组通电换前后只有一相绕组通电，，，，“双双双双”就是指每次有就是指每次有就是指每次有就是指每次有 两相绕相通电两相绕相通电两相绕相通电两相绕相通电；；；；而从一种通电状态转换到另一而从一种通电状态转换到另一而从一种通电状态转换到另一而从一种通电状态转换到另一 种通电状态就叫做一种通电状态就叫做一种通电状态就叫做一种通电状态就叫做一“拍拍拍拍”。。。。 • “相相相相”指步进电机定子绕组的对数指步进电机定子绕组的对数指步进电机定子绕组的对数指步进电机定子绕组的对数 当当当当AAAA相绕组通以直流电流时相绕组通以直流电流时相绕组通以直流电流时相绕组通以直流电流时，，，，根据电磁学原根据电磁学原根据电磁学原根据电磁学原 理理理理，，，，便会在便会在便会在便会在AAAAAAAA方向上产生一磁场方向上产生一磁场方向上产生一磁场方向上产生一磁场，，，，在磁场电磁在磁场电磁在磁场电磁在磁场电磁 力的作用下力的作用下力的作用下力的作用下，，，，吸引转子吸引转子吸引转子吸引转子，，，，使转子的齿与定子使转子的齿与定子使转子的齿与定子使转子的齿与定子AAAAAAAA 磁极上的齿对齐磁极上的齿对齐磁极上的齿对齐磁极上的齿对齐。。。。若若若若AAAA相断电相断电相断电相断电，，，，BBBB相通电相通电相通电相通电，，，，这时这时这时这时 新的磁场其电磁力又吸引转子的两极与新的磁场其电磁力又吸引转子的两极与新的磁场其电磁力又吸引转子的两极与新的磁场其电磁力又吸引转子的两极与BBBBBBBB磁极磁极磁极磁极 齿对齐齿对齐齿对齐齿对齐，，，，转子沿顺时针转过转子沿顺时针转过转子沿顺时针转过转子沿顺时针转过60606060°°°°。。。。通常通常通常通常，，，，步进步进步进步进 电机绕组的通断电状态每改变一次电机绕组的通断电状态每改变一次电机绕组的通断电状态每改变一次电机绕组的通断电状态每改变一次，，，，其转子转其转子转其转子转其转子转 过的角度过的角度过的角度过的角度 称为步距角称为步距角称为步距角称为步距角。。。。图示步进电机的步距图示步进电机的步距图示步进电机的步距图示步进电机的步距 角等于角等于角等于角等于60606060°°°°。。。。 如果控制线路不停地按如果控制线路不停地按如果控制线路不停地按如果控制线路不停地按AAAA→→→→BBBB→→→→CCCC→→→→AAAA…的顺的顺的顺的顺 序控制步进电机绕组的通断电序控制步进电机绕组的通断电序控制步进电机绕组的通断电序控制步进电机绕组的通断电，，，，步进电机的转步进电机的转步进电机的转步进电机的转 子便不停地顺时针转动子便不停地顺时针转动子便不停地顺时针转动子便不停地顺时针转动。。。。 若通电顺序改为若通电顺序改为若通电顺序改为若通电顺序改为AAAA→→→→CCCC→→→→BBBB→→→→AAAA…，，，，同理同理同理同理，，，，步步步步 进电机的转子将逆时针不停地转动进电机的转子将逆时针不停地转动进电机的转子将逆时针不停地转动进电机的转子将逆时针不停地转动。。。。 三相三拍通电方式三相三拍通电方式三相三拍通电方式三相三拍通电方式 图中的步进电机图中的步进电机图中的步进电机图中的步进电机，，，，定子仍是定子仍是定子仍是定子仍是A A A A ，，，，B B B B ，，，，CCCC三相三相三相三相，，，，每相每相每相每相 两极两极两极两极，，，，但转子不是两个磁极而是四个但转子不是两个磁极而是四个但转子不是两个磁极而是四个但转子不是两个磁极而是四个。。。。当当当当AAAA相通电相通电相通电相通电 时时时时，，，，是是是是1111和和和和3333极与极与极与极与AAAA相的两极对齐相的两极对齐相的两极对齐相的两极对齐，，，，很明显很明显很明显很明显，，，，当当当当AAAA相断电相断电相断电相断电、、、、 BBBB相通电时相通电时相通电时相通电时，，，，2222和和和和4444极将与极将与极将与极将与BBBB相两极对齐相两极对齐相两极对齐相两极对齐。。。。这样这样这样这样，，，，在三相在三相在三相在三相 三拍的通电方式中三拍的通电方式中三拍的通电方式中三拍的通电方式中，，，，步距角等于步距角等于步距角等于步距角等于30303030°°°°。。。。 还有一种三相六拍的通电方式还有一种三相六拍的通电方式还有一种三相六拍的通电方式还有一种三相六拍的通电方式，，，，它的通电顺序是它的通电顺序是它的通电顺序是它的通电顺序是：：：： 顺时针为顺时针为顺时针为顺时针为A A A A →→→→ AB AB AB AB →→→→ B B B B →→→→ BC BC BC BC →→→→ C C C C →→→→ CA CA CA CA →→→→ A A A A … ；；；；逆时针为逆时针为逆时针为逆时针为A A A A →→→→ AC AC AC AC →→→→ CCCC→→→→ CB CB CB CB →→→→ B B B B →→→→ BA BA BA BA →→→→AAAA…。。。。若以三相六拍通电方式工作若以三相六拍通电方式工作若以三相六拍通电方式工作若以三相六拍通电方式工作，，，，当当当当AAAA相通电转为相通电转为相通电转为相通电转为 AAAA和和和和BBBB同时通电时同时通电时同时通电时同时通电时，，，，转子的磁极将同时受到转子的磁极将同时受到转子的磁极将同时受到转子的磁极将同时受到AAAA相绕组产相绕组产相绕组产相绕组产 生的磁场和生的磁场和生的磁场和生的磁场和BBBB相绕组产生的磁场的共同吸引相绕组产生的磁场的共同吸引相绕组产生的磁场的共同吸引相绕组产生的磁场的共同吸引，，，，转子的转子的转子的转子的 磁极只好停在磁极只好停在磁极只好停在磁极只好停在AAAA和和和和BBBB两相磁极之间两相磁极之间两相磁极之间两相磁极之间，，，，这时它的步距角等这时它的步距角等这时它的步距角等这时它的步距角等 于于于于15151515°°°°。。。。当由当由当由当由AAAA和和和和BBBB两相同时通电转为两相同时通电转为两相同时通电转为两相同时通电转为BBBB相通电时相通电时相通电时相通电时，，，，转转转转 子磁极再沿顺时针旋转子磁极再沿顺时针旋转子磁极再沿顺时针旋转子磁极再沿顺时针旋转15151515°°°°，，，，与与与与BBBB相磁极对齐相磁极对齐相磁极对齐相磁极对齐。。。。其余其余其余其余 依此类推依此类推依此类推依此类推。。。。采用三相六拍通电方式采用三相六拍通电方式采用三相六拍通电方式采用三相六拍通电方式，，，，可使步距角缩小可使步距角缩小可使步距角缩小可使步距角缩小 一半一半一半一半。。。。 齿距角齿距角齿距角齿距角ττττ=360=360=360=360°°°°/Z/Z/Z/Z，，，，ZZZZ为转子的齿数为转子的齿数为转子的齿数为转子的齿数。。。。 步距角的定义步距角的定义步距角的定义步距角的定义：：：： 由一个通电状态改变到下一个通电状态时由一个通电状态改变到下一个通电状态时由一个通电状态改变到下一个通电状态时由一个通电状态改变到下一个通电状态时，，，，电电电电 动机转子所转过的角度称为动机转子所转过的角度称为动机转子所转过的角度称为动机转子所转过的角度称为步距角步距角步距角步距角。。。。 ββββ＝＝＝＝360360360360°°°°////ZKmZKmZKmZKm 其中其中其中其中：：：：ZZZZ－－－－转子齿数转子齿数转子齿数转子齿数，，，，mmmm－－－－定子绕组相数定子绕组相数定子绕组相数定子绕组相数 KKKK－－－－通电系数通电系数通电系数通电系数 ，，，，当前后通电相数一致时当前后通电相数一致时当前后通电相数一致时当前后通电相数一致时K=1K=1K=1K=1，，，，否则否则否则否则K=2K=2K=2K=2 例如例如例如例如：：：：若二相步进电动机的若二相步进电动机的若二相步进电动机的若二相步进电动机的ZZZZ=100=100=100=100，，，，单拍运行单拍运行单拍运行单拍运行时时时时，，，，其步距角其步距角其步距角其步距角 o o 8.1 1002 360 = × =β o o 9.0 10022 360 = ×× =β 若按若按若按若按单单单单、、、、双通电方式双通电方式双通电方式双通电方式运行时运行时运行时运行时，，，，步距角步距角步距角步距角 由此可见由此可见由此可见由此可见，，，，步进电动机的转子齿数步进电动机的转子齿数步进电动机的转子齿数步进电动机的转子齿数ZZZZ和定子相数和定子相数和定子相数和定子相数((((或运或运或运或运 行拍数行拍数行拍数行拍数))))愈多愈多愈多愈多，，，，则步距角愈小则步距角愈小则步距角愈小则步距角愈小，，，，控制越精确控制越精确控制越精确控制越精确。。。。 当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时，，，，步步步步 进电动机就持续不断地旋转进电动机就持续不断地旋转进电动机就持续不断地旋转进电动机就持续不断地旋转。。。。如果电脉冲的频率为如果电脉冲的频率为如果电脉冲的频率为如果电脉冲的频率为ffff(HZ)(HZ)(HZ)(HZ) ，，，，步距角用弧度表示步距角用弧度表示步距角用弧度表示步距角用弧度表示，，，，则步进电动机的转速为则步进电动机的转速为则步进电动机的转速为则步进电动机的转速为：：：： f KmZ f KmZfn 6060 2 2 60 2 === pi pi pi β