3.1 步进电动机
3.1.1 步进电动机的结构与工作原理 1. 结构特点
步进电动机由定子和转子两大部分组成。 三相反应式步进电动机的结构简图如图3.2所示， 定子有六个磁极，每相对磁极构成一相控制绕组 ，转子上有均布的四个齿。
步进电机基础知识

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2. 工作原理 （1）基本工作原理
步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作原理， 如图3.3所示。 ➢ 当U相通电，V、W相不通电，如图3.3a所示，1、3齿 与U相对齐； ➢ 当V相通电，U、W相不通电，如图3.3b所示，2、4齿 与V相对齐； ➢ 当W相通电，U、V相不通电，如图3.3c所示，1、3齿 与W相对齐；
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3.2 步进电动机的环形分配器
3.2.1 步进电动机的驱动方式 步进电动机是绕组按一定方式轮流通电工作的。为了
实现这种轮流通电，需要将控制脉冲按规定的方式分配给 步进电动机，实现这种脉冲分配功能的是环形分配器。环 形分配器的输出信号还需进行功率放大才能驱动步进电动 机。步进电动机驱动系统框图如图3.8所示。
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（2）通电方式 单双相轮流通电方式
上述两种通电方式的组合。即通电方式为：U → UV → V → VW→W → WU →U →… 称为三相六拍通电，如图3.4所示。 三相六拍通电方式的步距角减小一倍。
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3.1.2 小步距角步进电动机 实际的小步距角电动机如图3.5所示。它的定子内 圆和转子外圆上均有齿和槽，而且定子和转子的 齿宽和齿距相等。 若定子为三相绕组，当某一相磁极下定子与转子的 齿相对时，下一相磁极下定子与转子齿的位置刚 好错开1/3齿距，再下一相磁极下定子与转子的齿 错开2/3齿距，依此类推。 当定子各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿 距。
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3.2.2 步进电动机的环形分配器 环形分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系
加到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导 通和断开，并根据指令使电动机正转或反转，实现 确定的运行方式。环形分配器可以由硬件和软件两 种方式实现。
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1. 硬件环形分配器 硬件环形分配器由门电路和双稳态触发器组成的 逻辑电路构成。
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（2）通电方式 单相轮流通电方式
每次切换前后只有一相绕组通电。 在这种通电方式下，电动机工作的 稳定性较差，容易 失步。 上述例子即为单向轮流通电方式，称为三相单三拍通电
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（2）通电方式 双相轮流通电方式
每次有两相绕组通电，通电状态切换时，转子转动平稳， 且输出力矩较大，这种通电方式定位精度高而且不易 失步。 以三相反应式电动机为例，双相轮流通电方式为：UV → VW→WU →UV →… 称为三相双三拍通电。
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由此可见，当通电顺序为U→V → W→U →V →…时，转子便顺时针方向一步一步地转动，通 电状态每换接一次，转子前进一步，一步对应的 角度称为步距角。 电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿 距的位置，一个齿距所对应的角度称为齿距角 （此例中齿距角为90度） 当改变通电顺序时，将改变转子的转向。
环形分配器、功率放大器以及其他辅助电路统 称为步进电机的驱动电源。步进电动机、驱动电源和 控制器构成步进电动机传动控制系统，如图3.1所示。
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步进电动机的优点： ➢ 控制特性好； ➢ 误差不长期积累； ➢ 步距值不受各种干扰因素的影响。
步进电动机转子转动的速度取决于脉冲信号 的频率，总位移量取决于总的脉冲数，它作 为伺服电动机应用于控制系统时，可以使系 统简化，工作可靠，而且可以获得较高的控 制精度。
混合式（永磁感应式）
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反应式步进电动机结构示意图
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反应式步进电动机多段环形线圈结构
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反应式步进电动机多段分布绕组结构
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反应式直线步进电动机
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永磁式步进电动机示意图 步进电机基础知识
永磁式步进电动机环形线圈结构
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第3章 步进电动机传动控制
3.1 步进电动机 3.2 步进电动机的环形分配器 3.3 步进电动机的驱动电路
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步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或 角位移的执行元件。步进电动机的运动由一系列电脉 冲控制，脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形 分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。为了 使电动机能够输出足够的功率，经过环形分配器产生 的脉冲信号还需要进行功率放大。
混合式步进电动机结构示意图
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2. 按输出转矩的大小分类 快速步进电动机
电动机的输出转矩一般为0.07～4Nm，可以控制小型 精密机床的工作台，例如线切割机床。 功率步进电动机 电动机的输出转矩一般为5～40Nm，可直接驱动机床 的移动部件。
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此外，按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相、 等等。相数越多，步距角越小，但结构越复杂。 按运动方式分为旋转运动、直线运动、平面运动等。 按定子排列还可分为径向式（单段式）和轴向式（多 段式），轴向式的转动惯量小，快速性和稳定性好， 功率步进电动机多为轴向式，
（1）集成脉冲分配器 CH250是专为三相反应式步进电动机设计的环形 分配器。这种集成电路采用CMOS工艺，集成度 高，可靠性好。它的管脚图及三相六拍工作时的 接线图如图3.9所示。
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步进电动机的应用： 步进电动机在机械、电子、纺织、轻工、化工、
石油、邮电、冶金、文教和卫生等行业，特别是 在数控机床上获得了越来越广泛的应用。 本章从实际应用的角度出发，介绍步进电动机的 基本结构、工作原理、驱动方式、驱动电路、运 行特性以及步进电动机控制等方面的内容。
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3.1.3 步进电动机的分类
1. 按工作原理分类
激磁式（电磁式） 步进电动机的定子和转子均有绕组，靠电磁力矩使转 子转动。
反应式（磁阻式） 转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子 转动。
永磁式 转子和定子的某一方具有永久磁钢，另一方由软磁材 料制成。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒 定磁场相互作用产生转矩。