一、前言
步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變得非常的簡單。
雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機、交流電機在常規(guī)下使用。步進電機必須由脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機并非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。
目前,生產(chǎn)步進電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家處于一種盲目的仿制階段，這就給用戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。鑒于上述情況，我們在此敘述步進電機的基本工作原理，望能對廣大用戶在選型、使用、及整機改進時有所幫助。
永磁式（PM型）步進電機具有噪音小，出力大,動態(tài)性能好的特點;目前使用的數(shù)量為HB型的3倍以上，其使用量有逐年增加的趨勢；但步距角一般比較大。
永磁式（PM型）步進電機轉(zhuǎn)子為內(nèi)轉(zhuǎn)子型(外部為定子，中間為氣隙的電機)，圓柱形轉(zhuǎn)子的外表面分布n、s極(外表面無齒)。 兩相PM型爪極步進電機的結(jié)構(gòu)如圖2．11所示．定子相繞組是軸向放置，這種相繞組安裝方式稱為從屬型結(jié)構(gòu)。
轉(zhuǎn)子為圓柱形永久磁鐵，其中心安裝了輸出軸。圓柱形永久磁鐵的圓周外表面交替分布著n極和s極，極對數(shù)為nr，n、s極等極距。其轉(zhuǎn)子磁極通過氣隙，對著定子磁極。定子磁極依其形狀稱為爪極(clawpo1e)，用導(dǎo)磁鋼板沖壓成型，形成nr個爪極。兩個定子極板其磁極交互安放，相差1／2極距．共2nr個與轉(zhuǎn)子磁極數(shù)2nr相對應(yīng)，形成一相定子。
定子相繞組繞在圓形骨架上，繞制成環(huán)狀線圈。定子上的兩節(jié)定子磁路相同，其相鄰磁極相差1／4極距，即偏差90/nr。兩轉(zhuǎn)子磁極對應(yīng)一致。
定子為爪極型的步進電機，氣隙為o．2mm, 決定步距角的分辨率θs=90／nr。若nr=5～12，則步距角θs為1．8～7 5，通常使用7．5。 圖2.12所示為PM型步進電機的外觀。
兩相PM型爪極步進電機的工作原理見圖2.14。實際的兩相PM型爪極步進電機如圖2.11所示，設(shè)計的多極nr=12，此時定子的爪極數(shù)每相有12對極。為簡化原理便于理解，圖2．14將一相簡化成一對極。對比圖2.11和圖2．14，實際的兩相步進電機兩相繞組同時激磁，通常作2相激磁驅(qū)動，為說明和理解容易，簡化為一相激磁狀態(tài)的說明，一相激磁如能驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，兩相激磁肯定也能運轉(zhuǎn)。
如圖2．14所示，stl、st2為定子的兩相繞組，各線圈如圖所示方向繞制。rt為轉(zhuǎn)子，采用釹鐵硼磁鐵構(gòu)成，n、s極分布在轉(zhuǎn)子外表面，與定子極之間形成工作氣隙。由圖知道，一相線圈激磁一對定子磁極，轉(zhuǎn)子極對數(shù)與定子極對數(shù)的節(jié)距相同，相鄰轉(zhuǎn)子的s極與n極必定相互吸引，產(chǎn)生電磁力。
第一步，圖2．14(a)為l相線圈激磁圖，轉(zhuǎn)子與定子stl的磁極互相異性相吸。如果此時施加外力，轉(zhuǎn)子會帶著負載移動，電磁力會產(chǎn)生圖2．14(a)所示位置的恢復(fù)力，負載力的大小決定了位置精度。此時，2相定子st2的磁極中心線在轉(zhuǎn)子磁極n、s極的中間位置，2相定子與轉(zhuǎn)子磁極中心線相差π／2，此位移角為一個步距角。
第二步，圖2．14(b)中，stl的線圈電流為off，st2的線圈電流變成on．轉(zhuǎn)子向右移動π／2，轉(zhuǎn)子被st2吸引而停止。
第三步，圖2．14(c)中，stl的線圈電流反向通電，定子極性反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子再旋轉(zhuǎn)π／2后靜止。
第四步，圖2 14(d)中，st2的線圈電流反向通電．定子極性反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子再旋轉(zhuǎn)π／2后靜止。
再返回圖2．14(a)，依次(b)、(c)、(d)反復(fù)循環(huán)，不斷旋轉(zhuǎn)。以上為兩相PM型爪極步進電機的運行原理。
根據(jù)以上敘述,一個步距角轉(zhuǎn)子磁極極距的l／2，走4步為一個循環(huán)。步距角由轉(zhuǎn)子的極數(shù)來決定，定子的極數(shù)對轉(zhuǎn)矩的增加有影響。當(dāng)然，此型步進電機有單極(uni-polar)型和雙極(b1一polar)型，均伴隨定子磁極磁化而旋轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)亦相同。
三、反應(yīng)式（VR型)步進電機原理
1、結(jié)構(gòu)：
電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。
0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3て，C與齒3向右錯開2/3て，A’與齒5相對齊，（A’就是A，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖：
2、旋轉(zhuǎn)：
如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。
如B相通電，A，C相不通電時，齒2應(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。
如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。
如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て，這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機就反轉(zhuǎn)。
由此可見：電機的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。
不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。
不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進電機旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。
3、力矩：
電機一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量Ф）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力
F與（dФ/dθ）成正比
其磁通量Ф=Br*S
Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積
F與L*D*Br成正比
L為鐵芯有效長度，D為轉(zhuǎn)子直徑
Br=N·I/R
N·I為勵磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻。
力矩=力*半徑
力矩與電機有效體積*安匝數(shù)*磁密成正比（只考慮線性狀態(tài)）
因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。
四、混合式（HB型）步進電機原理
1兩相混合式步進電機的結(jié)構(gòu)
工業(yè)控制中采用如圖4.1所示的定子磁極上帶有小齒，轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多的結(jié)構(gòu)，其步距角可以做得很小。如圖4.1兩相混合式步進電動機的結(jié)構(gòu)圖，和圖4.2步進電機繞組接線圖，A、B兩相繞組沿徑向分相，沿著定子圓周有8個凸出的磁極，1、3、5、7磁極屬于A相繞組，2、4、6、8磁極屬于B相繞組，定子每個極面上有5個齒，極身上有控制繞組。轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鋼和兩端鐵芯組成，環(huán)形磁鋼在轉(zhuǎn)子中部，軸向充磁，兩段鐵芯分別裝在磁鋼的兩端，使得轉(zhuǎn)子軸向分為兩個磁極。轉(zhuǎn)子鐵芯上均勻分布50個齒，兩段鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距，定轉(zhuǎn)子的齒距和齒寬相同。
2兩相混合式步進電機的工作原理
當(dāng)兩相控制繞組按  的次序輪流通電，每拍只有一相繞組通電，四拍構(gòu)成一個循環(huán)。當(dāng)控制繞組有電流通過時，便產(chǎn)生磁動勢，它與永久磁鋼產(chǎn)生的磁動勢相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生步進運動。
當(dāng)A相繞組通電時，在轉(zhuǎn)子N極端磁極1上的繞組產(chǎn)生的S磁極吸引轉(zhuǎn)子N極，使得磁極1下是齒對齒，磁力線由轉(zhuǎn)子N極指向磁極1的齒面，磁極5下也是齒對齒，磁極3和7是齒對槽，如圖4.4所示A相通電轉(zhuǎn)子N極端定轉(zhuǎn)子平衡圖。由于兩段轉(zhuǎn)子鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距，在轉(zhuǎn)子S極端，磁極1’和5’產(chǎn)生的S極磁場，排斥轉(zhuǎn)子S極，與轉(zhuǎn)子正好是齒對槽，磁極3’和7’齒面產(chǎn)生N極磁場，吸引轉(zhuǎn)子S極，使得齒對齒。A相繞組通電時轉(zhuǎn)子N極端、S極端轉(zhuǎn)子平衡圖如圖4.3。
因轉(zhuǎn)子上共有50個齒，其齒距角為360°/50=7.2°，定子每個極距所占的齒數(shù)為不是整數(shù)，因此當(dāng)定子的A相通電，在轉(zhuǎn)子N極，磁極1的5個齒與轉(zhuǎn)子齒對齒，旁邊的B相繞組的磁極2的5個齒和轉(zhuǎn)子齒有1/4齒距的錯位，即1.8°，如圖4.4所示A相通電時定轉(zhuǎn)子齒展開圖畫圓圈的地方，A相磁極3的齒和轉(zhuǎn)子就會錯位3.6°，實現(xiàn)齒對槽了。磁力線是沿轉(zhuǎn)子N端→A（1）S磁極→導(dǎo)磁環(huán)→A（3’）N磁極→轉(zhuǎn)子S端→轉(zhuǎn)子N端，成一閉合曲線。當(dāng)A相斷電B相通電時，磁極2產(chǎn)生N極性，吸合離它最近的S極轉(zhuǎn)子7齒，使得轉(zhuǎn)子沿順時針方向轉(zhuǎn)動1.8°，實現(xiàn)磁極2和轉(zhuǎn)子齒對齒，B相繞組通電定轉(zhuǎn)子齒展開圖如圖4.5所示，此時磁極3和轉(zhuǎn)子齒有1/4齒距的錯位。依次類推若繼續(xù)按四拍的順序通電，轉(zhuǎn)子就按順時針方向一步一步地轉(zhuǎn)動，每通電一次即每來一個脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1.8°，即稱步距角為1.8°，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一圈需360°/1.8°=200個脈沖（見圖4.4、4.5）。
在轉(zhuǎn)子S極端也是同樣道理，當(dāng)繞組齒對齒時，其旁邊一相磁極錯位1.8°。
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