步进电机

步进电机是一种利用电脉冲控制运转的电动机，每输入一个电脉冲。电动机就会旋转一定的角度。因此步进电机又称为脉冲电动机。它的转速与脉冲的频率成正比，脉冲频率越高，单位时间内输入电动机的脉冲个数越多，旋转角度越大，即转速越快。

一、步进电机的分类

步进电机种类很多，根据运转方式可分为旋转式、直线式和平面式，其中旋转式行应用最广泛。旋转式步进电机又分为永磁式和反应式，永磁式步进电机的转子采用永久磁铁制成，反应式步进电机的转子采用软磁性材料制成。由于反应式步进电机具有反应快、惯性小和速度高等优点，因此应用广泛。

二、步进电机工作原理

①反应式步进电动机图7-48是一个三相六极反应式步进电动机，它主要由凸极式定子、定子绕组和带有4个齿的转子组成。

反应式步进电动机工作原理分析如下。

a ．当 A 相定子绕组通电时，如图7-48( a ）所示，绕组产生磁场，由于磁场磁感线力图通过磁阻最小的路径，在磁场的作用下，转子旋转使齿1、3分别正对 A 、 A '极。

b ．当 B 相定子绕组通电时，如图7-48( b ）所示，绕组产生磁场，在绕组磁场的作用下，转子旋转使齿2、4分别正对 B 、 B '极。

c ．当 C 相定子绕组通电时，如图7-48( c ）所示，绕组产生磁场，在绕组磁场的作用下，转子旋转使齿3、1分别正对 C 、 C '极。

从图中可以看出，当 A 、 B 、 C 相按 A → B → C 顺序依次通电时，转子逆时针旋转，并且转子齿1由正对 A 极运动到正对 C '极；若按 A → C → B 顺序通电，转子则会顺时针旋转。给 A 、 B 、 C 相绕组依次通电时，步进电动机会旋转一个步距角；若按 A → C → B → A → B → C →…的顺序依次不断给定子绕组通电，转子就会连续不断地运转。

图7-48中的步进电动机为三相单三拍反应式步进电动机，其中"三相"是指定子绕组为三相，"单"是指每次只有一相绕组通电，"三拍"是指在一个通电循环周期内绕组有3次供电切换。

步进电动机的定子绕组每切换一相电源，转子就会旋转一定的角度，该角度称为步距角。在图7-48中，步进电动机定子圆周上平均分布着6个凸极，任意两个凸极之间的角度为60°，转子每个齿由一个凸极移到相邻的凸极需要前进两步，因此该转子的步距角为30。步进电动机的步距角可以用下面的公式计算

0=360°/( ZN )

式中， Z 为转子的齿数； N 为一个通电循环周期的拍数。

图7-48中的步进电动机的转子齿数 Z =4，一个通电循环周期的拍数 N =3，则步距角

0=30°.

②三相单六拍反应式步进电动机三相单三拍反应式步进电动机的步距角较大，稳定性较差；而三相单双六拍反应式步进电动机的步距角较小，稳定性较好。三相单双六拍反应式步进电动机的结构示意如图7-49所示。

三相单双六拍反应式步进电动机工作原理分析如下。

a ．当 A 相定子绕组通电时，如图7-49( a ）所示，绕组产生磁场，由于磁场磁感线力图通过磁阻最小的路径，在磁场的作用下，转子旋转使齿1、3分别正对 A 、 A '极。

b ．当 A 、 B 相定子绕组同时通电时，绕组产生图7-49( b ）所示的磁场，在绕组磁场的作用下，转子旋转使齿2、4分别向 B 、 B '极靠近。

c ．当 B 相定子绕组通电时，如图7-49( c ）所示，绕组产生磁场，在绕组磁场的作用下，转子旋转使齿2、4分别正对 B 、 B '极。

d ．当 B 、 C 相定子绕组同时通电时，如图7-49( d ）所示，绕组产生磁场，在绕组磁场的作用下，转子旋转使齿3、1分别向 C 、 C '极靠近。

e ．当 C 相定子绕组通电时，如图7-49( e ）所示，绕组产生磁场，在绕组磁场的作用下，转子旋转使齿3、1分别正对 C 、 C '极。

从图中可以看出，当 A 、 B 、 C 相按 A → AB → B → BC → C → CA → A …的顺序依次通电时，转子逆时针旋转，每一个通电循环分6拍，其中3个单拍通电，3个双拍通电，因此这种反应式步进电动机称为三相单双六拍反应式步进电动机。三相单双六拍反应式步进电动机的步距角为15°。

③结构不管是三相单三拍步进电动机还是三相单双六拍步进电动机，它们的步距角都比较大，若用它们作为传动设备动力源时往往不能满足精度要求。为了减小步距角，实际的步进电动机通常在定子凸极和转子上开很多小齿，这样

可以大大减小步距角。三相步进电动机的实际结构如图7-50所示。

三、步进电机驱动电路

步进电机是一种利用电脉冲控制运转的电动机，在工作时需要有相应的驱动电路为它提供驱动脉冲。图7-51是典型三相步进电机驱动电路图。脉冲发生器产生几Hz至几十千Hz的脉冲信号，经脉冲分配器后输出符合一定逻辑关系的多组脉冲信号，这些脉冲信号功率放大后输入步进电机，驱动电机运转。

随着单片机的广泛应用，很多步进电机采用单片机电路进行控制驱动。图7-52是一种五相步进电机的单片机驱动电路框图，在工作时，从单片机的P1.0-P1.4引脚输出5组脉冲信号，经五相功率驱动电路放大后送入步进电机，驱动步进电机运转。