第1章　步进电机原理

1.1　步进电机的用途与特点

1.1.1　步进电机的用途

随着自动控制系统和计算装置的不断发展，在普通旋转电机的基础上产生出多种具有特殊性能的小功率电机，它们在自动控制系统和计算装置中分别作为执行元件、检测元件和解算元件，这类电机统称为控制电机。显然，从基本的电磁感应原理来说，控制电机和普通旋转电机并没有本质上的差别，但普通旋转电机着重于对启动和运行状态的力能指标的要求，而控制电机则着重于特性的高精度和快速响应。

各种控制电机从它们的外表看差不多都是一个圆柱体，中间有一根转轴，体积一般都比较小，因此控制电机是一种微电机。从它们完成的任务来看，各种控制电机又各不相同，有的用来带动自动控制系统中的机构运动，有的用来量测机械转角或转速，有的可以进行三角函数运算，有的可以进行积分或微分运算等。

各种控制电机的用途和功能尽管不同，但基本上可划分为信号元件和功率元件两大类。凡是用来转换信号的都为信号元件，又称为量测元件；凡是把信号转换成输出功率或把电能转换为机械能的都为功率元件，又称为执行元件。若以电源分类，控制电机有直流和交流两类。

步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移（或线位移）的一种控制电机。步进电机又称为脉冲电机。

一般电机都是连续旋转的，而步进电机则是一步一步转动的，它是由专用电源供给电脉冲，每输入一个电脉冲信号，电机就转过一个角度，如图1-1所示。步进电机也可以直接输出线位移，每输入一个电脉冲信号，电机就走一段直线距离。它可以看成是一种特殊运行方式的同步电机。

步进电机的运动形式与普通匀速旋转的电机有一定的差别，它的运动形式是步进式的，所以称为步进电机。又因其绕组上所加的电源是脉冲电压，有时也称它为脉冲电机。

由于步进电机是受脉冲信号控制的，所以步进电机不需要变换，就能直接将数字信号转换成角位移或线位移，因此它很适合于作为数字控制系统的伺服元件。

近年来，步进电机已广泛地应用于数字控制系统中，例如数控机床、绘图机、计算机外围设备、自动记录仪表、钟表和数/模转换装置等。相应其研制工作进展迅速，步进电机的性能也有较大的提高。

1.1.2　步进电机的特点

（1）步进电机的优点

①步进电机的角位移量（或直线位移量）与电脉冲数成正比，所以步进电机的转速（或线速度）也与脉冲频率成正比。在步进电机的负载能力范围内，其步距角和转速大小不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击和振动等影响，它仅与脉冲频率有关。因此，步进电机适于在开环系统中作执行元件。

②步进电机控制性能好，通过改变脉冲频率的高低就可以在很大范围内调节步进电机的转速（或线速度），并能快速启动、制动和反转。若用同一频率的脉冲电源控制几台步进电机时，它们可以同步运行。

③步进电机每转一周都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累，即每一步虽然有误差，但转过一周时，累积误差为零。这些特点使它完全适用于数字控制的开环系统中作为伺服元件，并使整个系统大为简化，而又运行可靠。当采用了速度和位置检测装置后，它也可以用于闭环系统中。

④有些类型的步进电机在停止供电状态下还有定位转矩，有些类型的步进电机在停机后某些相绕组仍保持通电状态，也具有自锁能力，不需要机械制动装置。

⑤步进电机的步距角变动范围较大，在小步距角的情况下，往往可以不经减速器而获得低速运行。

由于以上这些特点，步进电机日益广泛地应用于数字控制系统中，例如数控机床、绘图机、自动记录仪表、数/模转换装置以及航空、导弹、无线电等工业中。

（2）步进电机的缺点

步进电机的主要缺点是效率较低，并且需要配上适当的驱动电源供给电脉冲信号。一般来说，它带负载惯量的能力不强，在使用时既要注意负载转矩的大小，又要注意负载转动惯量的大小，只有当两者选取在合适的范围时，步进电机才能获得满意的运行性能。此外，共振和振荡也常常是运行中出现的问题，特别是内阻尼较小的反应式步进电机，有时还要加机械阻尼机构。

1.1.3　步进电机的种类

步进电机的种类很多，按运动形式分有旋转式步进电机、直线步进电机和平面步进电机。按运行原理和结构形式分类，步进电机可分为反应式、永磁式和混合式（又称为感应子式）等。按工作方式分类，步进电机可分为功率式和伺服式，前者能直接带动较大的负载，后者仅能带动较小负载。其中反应式步进电机用得比较普遍，结构也较简单。

当前最有发展前景的是混合式步进电机，其有以下四个方面的发展趋势：继续沿着小型化的方向发展；改圆形电机为方形电机；对电机进行综合设计；向五相和三相电机方向发展。