步进电动机的工作原理

步进电机在工作时，需由专用的驱动电源将脉冲信号电压按一定的顺序轮流加到定子的各相绕组上。驱动电源主要由脉冲分配器和脉冲放大器两部分组成。

步进电机的定子绕组从一次通电到下一次通电称为一拍。转子前进一步的角度称为步距角。m相步进电机按通电方式的不同，有以下三种运行方式。

（1）m相单m拍运行

“m相”指m相电动机，“单”指每次只给一相绕组通电，“m拍”指通电m次完成一个通电循环。

以三相步进电机为例，其运行方式即为三相单三拍运行。U－V－W或反之。

当U相绕组单独通电时，如图9.4.3（a）所示，定子U相磁极产生磁场，由于磁力线类似弹簧，有磁通力图走磁阻最小的磁路，所以靠近U相的转子齿1和3被吸引到定子极U1和U2对齐的位置。

当V相绕组单独通电时，如图9.4.3（b）所示，定子V相磁极产生磁场，同理磁通力图走磁阻最小的磁路，靠近V相的转于齿2和4被吸引到定子极V1和V2对齐的位置。

当W相绕组单独通电时，如图9.4.3（c）所示，定子W相磁极产生磁场，同理磁通力图走磁阻最小的磁路，靠近W相的转子齿3和1被吸引到定子极W1和W2对齐的位置。

图9.4.3　三相单三拍运行

以后重复上述过程，可见，当三相绕组按U－V－W的顺序通电时，转子将顺时针方向旋转。若改变三相绕组的通电顺序，即按W－V－U的顺序通电时，转子就变成逆时针方向旋转。显然，该电动机在这种运行方式下的步距角为θ＝30°。

（2）m相双m拍运行

“双”指每次同时给两相绕组通电。以三相步进电机为例，其运行方式即为三相双三拍运行。其通电顺序为UV－VW－WU或反之。

当U、V两相绕组同时通电时，由于U、V两相的磁极对转子齿都有吸引力，故转子将转到如图9.4.4（a）所示位置。当V、W两相绕组同时通电时，同理，转子将转到如图9.4.4（b）所示位置。当W、U两相绕组同时通电时，转子将转到如图9.4.4（c）所示位置。以后重复上述过程。可见，当三相绕组按UV－VW－WU顺序通电时，转子顺时针方向旋转。改变通电顺序，使其按WU－VW－UV顺序通电时，即可改变转子的转向。显然这种运行方式下的步距角仍为θ＝30°。

图9.4.4　三相双三拍运行

（3）m相单、双2m拍运行

以三相步进电机为例其运行方式即为三相单、双六拍运行，简称三相六拍运行。其通电顺序为U－UV－V－VW－W－WU或反之。所以采用这种运行方式，经过六拍才完成一个通电循环，步距角θ＝15°。

磁阻式步进电机在脉冲信号停止输入时，转子不再受到定子磁场的作用力，转子将因惯性而可能继续转过某一角度，因此必须解决停机时的转子定位问题。磁阻式步进电机一般是在最后一个脉冲停止时，在该绕组中继续通以直流电，即采用带电定位的方法。永磁式步进电机因转子本身有磁性，可以实现自动定位，不需采用带电定位的方法。

由以上的讨论可以看到，无论采用何种运行方式，步距角（机械角度）θ与转子齿数z和拍数N之间都存在着如下关系

磁阻式步进电机作用于转子上的电磁转矩为磁阻转矩。转子处在不同位置，磁阻转矩的大小不同。其中转子受到的最大电磁转矩称为最大静转矩。它是步进电机的重要技术数据之一。

步进电机在起动时，起动转矩不仅要克服负载转矩，而且还要克服惯性转矩。如果脉冲频率过高，转子跟不上，电机就会失步，甚至不能起动。步进电机不失步起动的最高频率称为起动频率。

步进电机在起动后，惯性转矩的影响不像起动时那么明显，电机就可以在比起动频率高的脉冲频率下不失步地连续运转。步进电机不失步运行的最高频率称为运行频率。

步距角小，最大静转矩大，则起动频率和运行频率高。

综上所述，可以看到步进电机的转角与输入脉冲数成正比，其转速与输入脉冲频率成正比，因而不受电压、负载及环境条件变化的影响。步进电机的上述工作职能又正好符合数字控制系统的要求，因而随着数字技术的发展，它在数控机床、轧钢机和军事工业等部门得到了广泛的应用。