步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行器。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到脈沖信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度(稱為“步角”)，其旋轉(zhuǎn)以固定的角度步進(jìn)運(yùn)行。角位移可以通過控制脈沖數(shù)來控制，從而達(dá)到精確定位的目的；同時(shí)，可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可作為控制專用電機(jī)，因其無(wú)累積誤差(精度為100%)而廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制中。

目前常用的步進(jìn)電機(jī)有反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR)、永磁步進(jìn)電機(jī)(PM)、混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)和單相步進(jìn)電機(jī)。

永磁步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩小，體積小，步進(jìn)角度一般為7.5度或15度；

無(wú)功步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可以實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出。步進(jìn)角度一般為1.5度，但噪音和振動(dòng)都很大。無(wú)功步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子設(shè)有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)率的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)合了永磁電機(jī)和無(wú)功電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。分為兩相和五相：兩相的步進(jìn)角一般為1.8度，五相的步進(jìn)角一般為0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用廣泛，也是這種細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案中選用的步進(jìn)電機(jī)。

　　步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其原理

步進(jìn)電機(jī)是同步電機(jī)的一種。其結(jié)構(gòu)與其他電機(jī)相同。它由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子是一個(gè)勵(lì)磁場(chǎng)，它的勵(lì)磁場(chǎng)是脈沖式的，即磁場(chǎng)以一定的頻率步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子隨著磁場(chǎng)步進(jìn)前進(jìn)。步進(jìn)電機(jī)主要有無(wú)功電機(jī)、電磁電機(jī)和永磁電機(jī)。下面以無(wú)功步進(jìn)電機(jī)為例，討論其工作原理：

步進(jìn)電機(jī)由轉(zhuǎn)子和定子組成。轉(zhuǎn)子和定子由帶齒的硅鋼片制成。定子有分成幾個(gè)相的繞組，每個(gè)相的磁極上都有極齒。當(dāng)某相定子繞組被DC電壓激勵(lì)時(shí)，它吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子上的齒與該相定子的齒對(duì)準(zhǔn)，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一定角度，依次激勵(lì)定子繞組，使轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

步進(jìn)電機(jī)的定子可以制成三相、四相、五相、六相甚至八相，每相的繞組可以徑向布置在定子上，也可以沿定子的軸向分段布置。

下面的FLASH是步進(jìn)電機(jī)工作原理的動(dòng)畫演示，選取的例子是單定子徑向分相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的截面圖。轉(zhuǎn)子上有40個(gè)均勻分布的齒，沒有繞組。三相定子A、B、C每相兩個(gè)極，每個(gè)極上有五個(gè)齒。和轉(zhuǎn)子一樣，齒間夾角為9。如果A相通電，轉(zhuǎn)子齒與A相極齒對(duì)齊。此時(shí)定子齒在B相兩極不與轉(zhuǎn)子齒中心線對(duì)中，但轉(zhuǎn)子齒中心線在逆時(shí)針方向上在定子齒中心線后1/3齒距，即3。在c相，轉(zhuǎn)子齒領(lǐng)先6。所以通電狀態(tài)從A相變?yōu)锽相時(shí)，轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)3，C相通電后旋轉(zhuǎn)3。步角是

雙拍通電勵(lì)磁，即按A-AB-B-BC-C-CA-A的順序通電勵(lì)磁，則步距角為

一般來說

其中：m——繞組相數(shù)；

z——轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，單拍KP=1，雙拍KP=2。如果反方向通電，步進(jìn)電機(jī)將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖1示出了五相五定子軸向分相無(wú)功步進(jìn)電機(jī)。定子和轉(zhuǎn)子分為五段，軸向排列。它有16個(gè)齒，因此齒距為22.5，每相定子徑向偏移齒距的1/5(或fi

B-C-D-E-A……的五相五拍通電，步距角為

　　如果按AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB……的十拍通電，則步距角為2.25°。

　　圖2（a）為160BF02型六相功率步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子有40個(gè)齒，不分段由硅鋼片疊成。步距角可以是1.5°或0.75°。電機(jī)的定子如圖（b）所示由硅鋼片疊成分為三段，每段有8個(gè)磁極，單數(shù)極屬于同一相，雙數(shù)極屬于另一相，極齒的齒夾角也是360°/40＝9°，每段上的兩相磁極的極齒彼此便錯(cuò)開4.5°。三段定子裝入機(jī)殼內(nèi)時(shí)，三段上的記號(hào)槽相互徑向錯(cuò)開120°，因而三段上三個(gè)均布鍵槽對(duì)齊，在鍵槽中用鍵固定。這樣裝配后，段與段之間的極齒便錯(cuò)開1.5°，如果第一段的兩相為A、D相，則第二段為B、E相，第三段為C、F相。功率步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大，繞組上的電流大。結(jié)構(gòu)上采用徑向與軸向分相相結(jié)合的形式，徑向尺寸小，慣性小，散熱好，而且沒有磁漏。

　　步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)

　　電機(jī)固有步距角：

　　它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如86BYG250A型電機(jī)給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時(shí)為0.9°、整步工作時(shí)為1.8°），這個(gè)步距角可以稱之為‘電機(jī)固有步距角’，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。

　　步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)：

　　是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則‘相數(shù)’將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。

　　保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）：

　　是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。

　　DETENT TORQUE：

　　是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT TORQUE在國(guó)內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。

　　步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)特性

　　（1）即使是同一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，在使用不同驅(qū)動(dòng)方案時(shí)，其矩頻特性也相差很大。

　?。?）步進(jìn)電機(jī)在工作時(shí)，脈沖信號(hào)按一定順序輪流加到各相繞組上（由驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的環(huán)形分配器控制繞組通斷電的方式）。

　　（3）步進(jìn)電機(jī)與其它電動(dòng)機(jī)不同，其標(biāo)稱額定電壓和額定電流只是參考值；又因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)是以脈沖方式供電，電源電壓是其最高電壓，而不是平均電壓，所以，步進(jìn)電機(jī)可以超出其額定值范圍工作。但選擇時(shí)不應(yīng)偏離額定值太遠(yuǎn)。

　　（4）步進(jìn)電機(jī)沒有積累誤差：一般步進(jìn)電機(jī)的精度為實(shí)際步距角的百分之三到五，且不累積。

　?。?）步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度：步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

　?。?）步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。

　　（7）步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定頻率就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?/p>

　　（8）混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的供電電源電壓一般是一個(gè)較寬的范圍（比如IM483的供電電壓為12～48VDC），電源電壓通常根據(jù)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機(jī)工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅(qū)動(dòng)器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動(dòng)器。

　?。?）供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源，電源電流一般可取I的1.1～1.3倍；如果采用開關(guān)電源，電源電流一般可取I的1.5～2.0倍。

　?。?0）當(dāng)脫機(jī)信號(hào)FREE為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出到電機(jī)的電流被切斷，電機(jī)轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（脫機(jī)狀態(tài)）。在有些自動(dòng)化設(shè)備中，如果在驅(qū)動(dòng)器不斷電的情況下要求直接轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸（手動(dòng)方式），就可以將FREE信號(hào)置低，使電機(jī)脫機(jī)，進(jìn)行手動(dòng)操作或調(diào)節(jié)。手動(dòng)完成后，再將FREE信號(hào)置高，以繼續(xù)自動(dòng)控制。

　　（11）用簡(jiǎn)單的方法調(diào)整兩相步進(jìn)電機(jī)通電后的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，只需將電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器接線的A+和A-（或者B+和B-）對(duì)調(diào)即可。

　　（12）四相混合式步進(jìn)電機(jī)一般由兩相步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)，因此，連接時(shí)可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián)接法將四相電機(jī)接成兩相使用。串聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較低的場(chǎng)合使用，此時(shí)需要的驅(qū)動(dòng)器輸出電流為電機(jī)相電流的0.7倍，因而電機(jī)發(fā)熱小；并聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合使用（又稱高速接法），所需要的驅(qū)動(dòng)器輸出電流為電機(jī)相電流的1.4倍，因而步進(jìn)電機(jī)發(fā)熱較大。