反應式步進電機的結構及工作原理詳解

　　步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件，在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。

　　本文小編主要介紹的是反應式步進電機的結構及工作原理，以三相及四相反應式步進電機為例子詳細解說其工作原理。

　　反應式步進電機簡介

　　反應式步進電機，是一種傳統的步進電機，由磁性轉子鐵芯通過與由定子產生的脈沖電磁場相互作用而產生轉動。

　　反應式步進電機工作原理比較簡單，轉子上均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。電機的位置和速度由導電次數（脈沖數）和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。市場上一般以二、三、四、五相的反應式步進機居多。

　　反應式步進電機的結構

　　反應式步進電動機的結構形式很多，按定轉子鐵芯的段數分為單段式和多段式兩種。

　　1、單段式步進電機

　　單段式步進電機是定轉子為一段鐵芯。由于各相繞組沿圓周方向均勻排列所以又稱為徑向分相式。它是步進電動機中使用最多的一種結構形式。如圖4-4為相反應式步進電動機的徑向截面圖。定轉子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，定子磁極為凸極式，磁極的極面上開有小齒。定子上有三套控制繞組，每一套有兩個串聯的集中控制繞組分別繞在徑向相對的兩個磁極上。每套繞組叫一相，三相繞組接成星形，所以定子磁極數通常為相數的兩倍，即2p=2m（p為極對數m為相數）轉子上沒有繞組，沿圓周也有均勻的小齒，其齒距和定子磁極上小齒的齒距必須相等，而且轉子的齒數有一定的限制。這種結構形式的優點是制造簡便，精度易于保證，步距角可以做得較小。容易得到較高的啟動和運行頻率。其缺點是在電機的直徑較小而相數又較多時，沿徑向分相較為困難，消耗功率大，斷電時無定位轉矩。

　　2、多段式步進電機

　　多段式步進電機是定轉子鐵芯沿電機軸向按相數分成m段。由于各相繞組沿著軸向分布，所以又稱為軸向分相式。按其磁路的結構特點有兩種，一種是主磁路仍為徑向，另一種是主磁路包含有軸向部分。

　　反應式步進電動機的特點

　　1、較高的力矩轉動慣量比

　　2、步進頻率較高，頻率響應快

　　3、不通電時可以自由轉動、結構簡單、壽命長的特點。

　　反應式步進電機的工作原理

　　1、三相反應式步進電機的工作原理

　　旋轉：

　　如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉子不受任何力以下均同）。 如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。 如C相通電，A，B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。 如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉子又向右移過1/3て 這樣經過A、B、C、A分別通電狀態，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機就每步（每脈沖）1/3て，向右旋轉。如按A，C，B，A……通電，電機就反轉。

　　由此可見：電機的位置和速度由導電次數（脈沖數）和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。 不過，出于對力矩、平穩、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導電狀態，這樣將原來每步1/3て改變為1/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變為1/12て，1/24て，這就是電機細分驅動的基本理論依據。

　　不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m，2/m……（m-1）/m，1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制——這是旋轉的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。

　　力矩： 電機一旦通電，在定轉子間將產生磁場（磁通量Ф）當轉子與定子錯開一定角度產生力 F與（dФ/dθ）成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br為磁密，S為導磁面積 F與L*D*Br成正比 L為鐵芯有效長度，D為轉子直徑 Br=N·I/R N·I為勵磁繞阻安匝數（電流乘匝數）R為磁阻。 力矩=力*半徑 力矩與電機有效體積*安匝數*磁密 成正比（只考慮線性狀態） 因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。

　　2、四相反應式步進電機工作原理

　　該步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉動。圖1是該四相反應式步進電機工作原理示意圖。

　　開始時，開關SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉子0、3號齒對齊，同時，轉子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產生錯齒。當開關SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉子轉動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉子會沿著A、B、C、D方向轉動。

　　四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控制精度。

　　單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2.a、b、c所示：

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