步进电机的工作原理

为了使单相步进电机能正常起动、定位和具有固定的旋转方向，必须具备两个力矩作用于步进电机的转子。一是转子的定位力矩，即在线圈不通电时，仅由转子磁钢与定子片间产生的力矩。当线圈中无电流时，转子磁钢将会停留在与定子片间隙最小的地方，如图14-14所示。图14-14（a）、（c）所示称为稳定平衡位置，图14-14（b）、（d）所示称为不稳定平衡位置。转子在稳定平衡位置时，若受外力影响而离开稳定平衡位置时，能自己返回到原稳定平衡位置；但转子在不稳定平衡位置时，若受到外力影响而离开不稳定平衡位置时，则能转到稳定平衡位置上去。这些都是因为受到定子片和转子间的定位力矩的作用的结果。二是转子和定子线圈产生的磁场之间的电磁力矩。这是由于电机定子线圈通电后，定子片产生的磁场与转子磁钢的磁场相互作用产生的力矩，称为电磁力矩。

图14-14　线圈不通电时转子可能停留位置

步进电机在石英电子钟表中都是由集成电路输出的脉冲电流驱动的。具体工作过程可用图14-15所示来加以说明。图中以一对极径向磁路偏心式结构的步进电机为例。

图14-15　二极双偏心式步进电机工作原理

（1）当0⩽t<t₁时，定子线圈中无电流通过，转子在定力矩的作用下，停留在稳定平衡位置。如图14-15（a）所示。

（2）当t_l⩽t⩽t₂时，定子线圈电流方向由A→B，设此时电流通过方向为正方向。线圈就相当于一个普通的通电螺线管，它产生的磁场方向可用安培定则判断。如图14-15（b）所示，根据同极性相斥、异极性相吸的特性，定子的N极推斥转子的N极、吸引转子的S极；定子的S极推斥转子的S极、吸引转子的N极。转子受上述两个推力和两个吸引力的作用产生转矩，且方向相同，使转子沿逆时针方向转过θ₁角。如图14-15（c）所示。

（3）当t₂<t<t₃时，定子线圈中电流消失，定子磁场消失，在定位力矩和转子惯性力的作用下，转子继续沿逆时针方向转过θ₂角，θ₁＋θ₂＝180°，停留在新的稳定平衡位置，如图14-15（d）所示。

（4）当t₃⩾t⩾t₄时，定子线圈的电流方向由B→A，为负方向电流。线圈产生磁场，根据安培定则，磁场方向如图14-15（e）所示。又据磁力线同极性相斥、异极性相吸特性，定子磁场与转子磁场相互作用，与（2）类同，使转子沿逆时针方向转过θ₃角，如图14-15（f）所示。

（5）当t₄<t<t₅时，定子线圈中电流再次消失，定子磁场也消失，在定位力矩和转子惯性力的作用下，转子很快转过一个角度θ₄，θ₃＋θ₄＝180°，停在原先稳定平衡位置。如图14-15（g）所示。

应当指出，为使电机正常工作，线圈通电时间应在θ₁和θ₃到达转子磁轴与定子磁轴重合前结束。而最短通电时间，应在θ₁和θ₃越过不稳定平衡点之后。

综上所述，线圈电流正负变化一次，转子转动一周，如连续给线圈通以正负交替变化的电流，如图14-15（h）中所示，即可实现电机连续不断工作。

双凹坑式一对极步进电机工作原理与二极双偏心式相类似。其线圈脉冲信号输入波形如图14-16（h）所示。转子稳定平衡点在与双凹坑中心连线的垂线上。

图14-16　二极双凹式步进电机工作原理

工作原理：

（1）当0⩽t<t₁时，定子线圈中无电流通过，转子在定位力矩作用下，停留在稳定平衡位置。如图14-16（a）所示。

（2）当t₁⩽t⩽t₂时，线圈中有正向电流流过。根据安培定则，定子片产生磁场如图14-16（b）所示。根据磁力线同极性相斥、异极性相吸特性，定子磁场与转子磁场相互作用。定子的N极和S极分别推斥转子的N极和S极，吸引转子的S极和N极，使转子沿逆时针方向转过θ₁角。如图14-16（c）所示。

（3）当t₂<t<t₃时，定子线圈中电流中断，定子磁场消失。在定位力矩和转子惯性力矩作用下，转子继续沿逆时针方向转过θ₂角，θ₁＋θ₂＝180°。转子停留在新的稳定平衡位置。如图14-1（d）所示。

（4）当t₃⩽t⩽t₄时，线圈中有反向电流流过。根据安培定则，线圈产生磁场如图14-16（e）所示。又据磁力线同极性相斥、异性相吸特性，定子磁场与转子磁场相互作用，使转子继续沿逆时针方向转过θ₃角。如图14-16（f）所示。

（5）当t₄<t₅时，线圈电流再次中断，定子磁场消失，转子在定位力矩和惯性力矩作用下，转子转过θ₄角，θ₃＋θ₄＝180°。停在原先稳定平衡位置。如图14-16（g）所示。

只要如图14-16（h）所示线圈输入脉冲信号不断，双凹坑式步进电机将按一定方向连续不断步进工作。