步進電動機

步進電動機（stepping motor）把電脈衝信號變換成角位移以控制轉子轉動的微特電機。在自動控制裝置中作為執行元件。每輸入一個脈衝信號，步進電動機前進一步，故又稱脈衝電動機。步進電動機多用於數字式計算機的外部設備，以及打印機、繪圖機和磁盤等裝置。

步進電動機的驅動電源由變頻脈衝信號源、脈衝分配器及脈衝放大器組成，由此驅動電源向電機繞組提供脈衝電流。步進電動機的運行性能決定於電機與驅動電源間的良好配合。

步進電機的優點是沒有累積誤差，結構簡單，使用維修方便，製造成本低，步進電動機帶動負載慣量的能力大，適用於中小型機牀和速度精度要求不高的地方，缺點是效率較低，發熱大，有時會“失步”。 ^[1] 

步進電動機分為機電式、磁電式及直線式三種基本類型。

機電式步進電動機由鐵心、線圈、齒輪機構等組成。螺線管線圈通電時將產生磁力，推動其鐵心心子運動，通過齒輪機構使輸出軸轉動一角度，通過抗旋轉齒輪使輸出轉軸保持在新的工作位置；線圈再通電，轉軸又轉動一角度，依次進行步進運動。

磁電式步進電動機 其結構簡單， 可靠性高， 價格低廉， 應用廣泛。 主要有永磁式、 磁阻式和混合式。 ^[2]  (1)永磁式步進電動機。

其轉子有永磁體的磁極，在氣隙中產生極性交替磁場，定子由四相繞組組成(見圖)。當A相繞組通電時，轉子將轉向該相繞組所確定的磁場方向。當A相斷電、B相繞組被通電勵磁時，就產生一個新的磁場方向，這時，轉子就轉動一角度而位於新的磁場方向上，被勵磁相的順序決定了轉子轉動方向。若定子勵磁的變化太快，轉子將不能和定子磁場方向的變化保持一致，轉子即失步。起動頻率和運行頻率較低，是永磁式步進電動機的一個缺點。但永磁式步進電動機消耗功率較小，效率較高。20世紀80年代初，出現了轉子是盤式的永磁盤式步進電動機，使步距角及工作頻率達到磁阻式步進電動機的水平。

(2)磁阻式步進電動機。其定、轉子鐵芯的內外表面上設有按一定規律分佈的相近齒槽，利用定、轉子鐵芯齒槽相對位置變化引起磁路磁阻的變化，從而產生轉矩。其轉子鐵芯由硅鋼片或軟磁材料做成，當定子某相被勵磁時，轉子將轉到使磁路磁阻最小的位置。當另一相被勵磁，轉子轉到另一位置，使磁路磁阻為最小時，電動機就停止轉動。這時，轉子轉過一個步距角θb，即式中N為轉子轉過一個齒距的運行拍數；ZR為轉子齒數。

磁阻式步進電動機結構形式較多。定子鐵芯有單段式、多段式；磁路有徑向、軸向；繞組相數有三相、四相、五相。磁阻式步進電動機步距角可做到1°～15°，甚至更小，精度容易保證，起動與運行頻率較高，但功耗較大，效率較低。

(3)混合式步進電動機。它的定、轉子鐵芯結構與磁阻式步進電動機相似。轉子有永磁體在氣隙中產生單極性磁場，此磁場還被轉子上軟磁材料的齒槽調製。

混合式步進電動機兼有永磁式步進電動機與磁阻式步進電動機兩者的優點，電動機步距角小，精度高，工作頻率高，且功耗小，效率高。

有反應式和索耶式兩類。索耶式直線步進電動機由靜止部分（稱為反應板）和移動部分(稱動子)組成。反應板由軟磁材料製成，在它上面均勻地開有齒和槽。電機的動子由永久磁鐵和兩個帶線圈的磁極A和B組成。動子是由氣墊支承,以消除在移動時的機械摩擦,使電機運行平穩並提高定位精度。這種電機的最高移動速度可達1.5米/秒，加速度可達2g,定位精度可達20多微米。由兩台索耶式直線步進電動機相互垂直組裝就構成平面電動機。給x方向和y方向兩台電機(圖3)以不同組合的控制電流，就可以使電機在平面內做任意幾何軌跡的運動。大型自動繪圖機就是把計算機和平面電動機組合在一起的新型設備。平面電動機也可用於激光剪裁系統，其控制精度和分辨力可達幾十微米。

步進電動機是將脈衝信號轉換為角位移或線位移。

一是過載性好。其轉速不受負載大小的影響，不像普通電機，當負載加大時就會出現速度下降的情況，步進電機使用時對速度和位置都有嚴格要求。

二是控制方便。步進電機是以“步”為單位旋轉的，數字特徵比較明顯。

三是整機結構簡單。傳統的機械速度和位置控制結構比較複雜，調整困難，使用步進電動機後，使得整機的結構變得簡單和緊湊。 測速電機是將轉速轉換成電壓，並傳遞到輸入端作為反饋信號。測速電機為一種輔助型電機，在普通直流電機的尾端安裝測速電機，通過測速電機所產生的電壓反饋給直流電源，來達到控制直流電機轉速的目的。 ^[3] 

主要用於數字控制系統中，精度高，運行可靠。如採用位置檢測和速度反饋，亦可實現閉環控制。步進電動機已廣泛地應用於數字控制系統中，如數模轉換裝置、數控機牀、計算機外圍設備、自動記錄儀、鐘錶等之中，另外在工業自動化生產線、印刷設備等中亦有應用。

步進電機是將電脈衝信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決於脈衝信號的頻率和脈衝數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈衝信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關係的存在，加上步進電機只有週期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。

雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機並不能象普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈衝信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。

如今,生產步進電機的廠家的確不少，但具有專業技術人員，能夠自行開發，研製的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設備都沒有。僅僅處於一種盲目的仿製階段。這就給户在產品選型、使用中造成許多麻煩。鑑於上述情況，我們決定以廣泛的感應子式步進電機為例。敍述其基本工作原理。望能對廣大用户在選型、使用、及整機改進時有所幫助。

由於反應式步進電機工作原理比較簡單。下面先敍述三相反應式步進電機原理。

1、結構： 電機轉子均勻分佈着很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。 0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉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）下面是定轉子的展開圖：

2、旋轉： 如A相通電，B，C相不通電時，由於磁場作用，齒1與A對齊，（轉子不受任何力以下均同）。 如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉子向右移過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應與C對齊，此時轉子又向右移過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，轉子又向右移過1/3て 這樣經過A、B、C、A分別通電狀態，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機就每步（每脈衝）1/3て,向右旋轉。如按A，C，B，A……通電，電機就反轉。 由此可見：電機的位置和速度由導電次數（脈衝數）和頻率成一一對應關係。而方向由導電順序決定。 不過，出於對力矩、平穩、噪音及減少角度等方面考慮。往往採用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導電狀態，這樣將原來每步1/3て改變為1/6て。甚至於通過二相電流不同的組合，使其1/3て變為1/12て，1/24て，這就是電機細分驅動的基本理論依據。 不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。並且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制——這是旋轉的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以製造任何相的步進電機，出於成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。

3、力矩： 電機一旦通電，在定轉子間將產生磁場（磁通量Ф）當轉子與定子錯開一定角度產生力 F與（dФ/dθ）成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br為磁密，S為導磁面積 F與L*D*Br成正比 L為鐵芯有效長度，D為轉子直徑 Br=N·I/R N·I為勵磁繞阻安匝數（電流乘匝數）R為磁阻。 力矩=力*半徑 力矩與電機有效體積*安匝數*磁密 成正比（只考慮線性狀態） 因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。

1、特點： 感應子式與傳統的反應式相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩、噪音低、低頻振動小。 感應子式某種程度上可以看作是低速同步的電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行。（必須採用雙極電壓驅動），而反應式電機則不能如此。例如：四相，八相運行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以採用二相八拍運行方式.不難發現其條件為C=,D=. 一個二相電機的內部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態特點，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯或並聯使用。

2、分類

感應子式電機以相數可分為：二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。以機座號（電機外徑）可分為：42BYG（BYG為感應子式步進電機代號）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標準），而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內標準。

3、步進電機的靜態指標術語 相數：產生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數。常用m表示。 拍數：完成一個磁場週期性變化所需脈衝數或導電狀態用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈衝數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角：對應一個脈衝信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度（轉子齒數J*運行拍數），以常規二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。 定位轉矩：電機在不通電狀態下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的） 靜轉矩：電機在額定靜態電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。 雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過分採用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發熱及機械噪音。