步进电机结构简介 按照励磁方式分类，步进电机可分为反应式、永磁式和感应子式。其中反应 式步进电机用的比较普遍，结构也较简单。本课题采用的也是此类电机。 反应式步进电机又称为磁阻式步进电机，其典型结构如图 1 所示。这是一台 三相电机，定子铁心由硅钢片叠成，定子上有 6 个磁极，每个磁极上又各有 5 个均匀分布的矩形小齿。 三相电机共有三套定子控制绕组，绕在径向相对的两个 磁极上的一套绕组为一相。转子也是由叠片铁心构成，转子上没有绕组，而是由 40 个矩形小齿均匀分布在圆周上， 相邻两 齿之间的夹角为 9 度。 下面简述其工作原理。当某相绕组通 电时，对应的磁极就会产生磁场，并与转 子形成磁路。若此时定子的小齿与转子的 小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子 转动一定的角度使转子齿与定子齿对应。 由此可见，错齿是促使步进电机旋转的根 本原因。例如，在单三拍运行方式中，当 A 相控制绕组通电， B、 相都不通电时， 而 C 由于磁通具有力图走磁阻小路径的特 点，所以转子齿与 A 相定子齿对齐。若以 与 A 相磁极中心磁极的 图 1 步进电机剖面结构 此作为初始状态，设 转子齿为 0 号 齿， 由于 B 相磁极与 A 相磁极相差 120 度,且 120 度/9 度＝13.333 不为整数，所 以，此时 13 号转子齿不能与 B 相定子齿对齐，只是靠近 B 相磁极的中心线 度。如果此时突然变为 B 相通电，而 A、C 相都不通电，则 B 相磁 极迫使 13 号小齿与之对齐，整个转子就转动 3 度。此时称电机走了一步。 同理，我们按照 A→B→C→A 顺序通电一周，则转子转动 9 度。转速取决于 各控制绕组通电和断电的频率（即输入脉冲频率） ，旋转方向取决于控制绕组轮 流通电的顺序。如上述绕组通电顺序改为 A→C→B→A··· ···则电机转向相反。 这种按 A→B→C→A··· ···方式运行的称为三相单三拍， “三相”是指步进 电机具有三相定子绕组， “单”是指每次只有一相绕组通电， “三拍”是指三次换 接为一个循环。 此外， 三相步进电机还可以以三相双三拍和三相六拍方式运行。三相双三拍 就是按 AB→BC→CA→AB··· ···方式供电。与单三拍运行时一样，每一循环也是 换接 3 次，共有 3 种通电状态，不同的是每次换接都同时有两相绕组通电。三相 六拍的供电方式是 A→AB→B→BC→C→CA→A··· ···每一循环换接六次，共有六 种通电状态，有时只有一相绕组通电，有时有两相绕组通电。 磁阻式步进电机的步距角可由下边公式求得 Q? ⑴ 360? McCZ r 式中 Mc 为控制绕组相数，C 为状态系数，三相单三拍或双三拍时 C＝1，三 相六拍时 C＝2。Zr 为转子齿数，本课题使用的 36BF003 型步进电机转子齿数为 40。 3.2 减小步距角的途径 由⑴式可知，本课题使用的步进电机未细分时能达到的小步距角为 1.5 度 （三相六拍模式） 。转速较高时，由于转子本身的惯性，电机可近似看作匀速转 动。但在低速运行时，较大的步距角造成两步之间的时间间隔较长，在下一个电 脉冲到来之前转子已经停止转动，由此造成运行的不连续及低频振动。此外实际 应用中 1.5 度的步距角往往不能满足精度需要，为了提高精度，要求一个脉冲对 应的位移量小，即步进电机的步距角小。减小步距角有以下四种方法： 1、增加步进电机控制绕组的数量。由⑴式可知，步距角 Q 与绕组数 Mc 成反 比，Mc 越大则 Q 越小。三相步进电机单拍运行时的步距角为 3 度（40 转子齿） ， 如果采用四相电机，则步距角减小到 1.8 度（50 转子齿） 。但是相数越多电机结 果越复杂，制造越困难，靠增加相数减小步距角的成本很高。 2、增加拍数。即增大状态系数 C。由⑴式知状态系数也与步距角成反比，增 加拍数相当于增加绕组相数。三相步进电机单三拍运行时步距角为 3 度，采用三 相六拍模式后步距角减小到原来的一半。 但步进电机所能实现的拍数同绕组相数 直接相关，三相步进电机多能实现的拍数是六拍，四相电机多八拍。靠增加 拍数减小的步距角有限。 3、增加转子齿数 Zr。由于 Zr 与步距角 Q 成反比，增加转子齿数也能减小步 距角。但受加工精度、制造成本限制，转子齿数不能无限增多。 4、采用细分电路。对于一个步进电机，采用细分电路后其步距角减小为原 来的 1/N（N 为细分数） 。理论上 N 可以无限增大，从而步距角 Q 可以无限减小。 细分电路对于任何反应式步进电机都适用，尤其是步距角较大的低端步进电机， 能显著减小步距角，提高运动精度，从而在某些场合可以代替高端步进电机。
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