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2023-11-04 理论教育版权反馈

【摘要】：本章节以反应式步进电动机为例，介绍其基本原理与应用方法。目前常用的有两相、三相、四相、五相步进电动机。步进电动机的驱动电路依据控制信号工作，控制信号由单片机产生，完成以下三种功能：①控制换相顺序，通电换相称为脉冲分配，对于四相步进电动机而言，其各相通电顺序按照A-B-A-B，通电控制脉冲必须严格按照顺序执行。

步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电动机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

现在比较常用的步进电动机分为三种：反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）。本章节以反应式步进电动机为例，介绍其基本原理与应用方法。反应式步进电动机可实现大转矩输出，步进角一般为1.5°。反应式步进电动机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。常用小型步进电动机实物如图15-1所示。

在应用选型时可以根据电动机的不同参数来决定应用范围，一般步进电动机主要由以下几个参数决定：转矩、步矩角、相数、保持转矩、静转矩、拍数。

1.转矩

电动机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Φ）当转子与定子错开一定角度θ产生力F与（dΦ/dθ）成正比。磁通量为

Φ=B_rS

图15-1 步进电动机实物图

式中，B_r为磁通密度；S为导磁面积。

F与LDB_r成正比，其中L为铁心有效长度，D为转子直径。

B_r=NI/R

式中，NI为励磁绕组安匝数（电流乘匝数）；R为磁阻。

转矩=力×半径

转矩与电动机有效体积、安匝数、磁通密度成正比。因此，电动机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电动机转矩越大，反之亦然。

2.步距角

电动机固有步距角表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电动机所转动的角度。一般电动机出厂时都给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电动机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电动机固有步距角’，它不一定是电动机实际工作时的真正步距角，真正的步距角还和驱动器有关。电动机转子转过的角位移用θ表示。θ=360°/（转子齿数J×运行拍数），以常规两、四相，转子齿为50齿电动机为例。四拍运行时步距角为θ=360°/（50×4）=1.8°（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360°/（50×8）=0.9°（俗称半步）。

3.相数

步进电动机的相数是指电动机内部产生不同对极N、S磁场的励磁绕组对数，常用m表示。目前常用的有两相、三相、四相、五相步进电动机。电动机相数不同，其步距角也不同，一般两相电动机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电动机来满足自己步距角的要求。

4.保持转矩

保持转矩是指步进电动机通电但没有转动时，定子锁住转子的转矩。它是步进电动机最重要的参数之一，通常步进电动机在低速时的转矩接近保持转矩。由于步进电动机的输出转矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电动机最重要的参数之一。如当人们说2N·m的步进电动机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N·m的步进电动机。(www.chuimin.cn)

5.静转矩

静转矩表示电动机在额定静态电作用下，电动机不作旋转运动时，电动机转轴的锁定转矩。此转矩是衡量电动机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

6.拍数

步进电动机拍数是指完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，用n表示，或指电动机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电动机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

步进电动机的励磁方式一般分为1相励磁、2相励磁、1-2相励磁。其中1相励磁最为简单，转矩最小；2相励磁可有较大的转矩；1-2相励磁是属于半步的方式，也就是说旋转角度为前两种方式的一半。下面对三种励磁方式归类如下，1相励磁见表15-1，2相励磁见表15-2，1-2相励磁见表15-3。

1相励磁法：每一瞬间只有一个绕组导通，其他绕组休息。其特点是励磁方法简单，耗电低，精确度良好。但是转矩小，振动大，每次励磁信号走的角度是标称角度。

2相励磁法：每一瞬间有两个绕组同时导通，特点是转矩大，振动小，每次励磁转动角度是标称角度。

表15-1 1相励磁