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赛微电子网 步进电机原理 DanSimon DanSimon 作者：DDaannSSiimmoonn，电子与计算机工程系，克里夫兰州立大学 步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。随着 嵌入式系统(例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等)的日益流行，步进电机的使用 也开始暴增。不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业中，只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置，步 进电机就一定能派上用场。步进电机有许多种形状和尺寸，但不论形状和尺寸如何，它们都可以归为两类：可变磁阻 步进电机和永磁步进电机。本文重点讨论更为简单也更常用的永磁步进电机。 步进电机的构造 （图一，具有双齿槽和单绕组的定子） 如图1 所示，步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝 叫做螺线管，而在电机中，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。如果线圈中电流的流向如图1 所示，并且我 们从电机顶部向下看齿槽的顶部，那么电流在绕两个齿槽按逆时针流向流动。根据安培定律和右手准则，这样的电流 会产生一个北极向上的磁场。 现在假设我们构造一个定子上缠绕有两个绕组的电机，内置一个能够绕中心任意转动的永久磁铁，这个可旋转部 分叫做转子。图2给出了一种简单的电机，叫做双相双极电机，因为其定子上有两个绕组，而且其转子有两个磁极。 如果我们按图2a 所示方向给绕组1输送电流，而绕组2 中没有电流流过，那么电机转子的南极就会自然地按图中所示， 指向定子磁场的北极 （图2：双相双极电机） 接着，我们再将绕组2 的电流切断，按照图2c 的方向给绕组1 输送电流，注意：这时绕组1 中的电流流向与图2a 所示方向相反。于是定子的磁场北极就会指向下，从而导致转子旋转，其南极也指向下方。 然后我们又切断绕组1 中的电流，按照图2d 所示方向给绕组2 输送电流，于是定子磁场又会指向右侧，从而使得 内容版权归作者所有 1 赛微电子网 转子旋转，其南极也指向右侧。。 最后，我们再一次切断绕组2 中的电流，并给绕组1 输送如图2a 所示的电流，这样，转子又会回到原来的位置。 至此，我们对电机绕组完成了一个周期的电激励，电机转子旋转了一整圈。也就是说，电机的电频率等于它转动 的机械频率。 如果我们用1秒钟顺序完成了图2 所示的这4个步骤，那么电机的电频率就是1Hz。其转子旋转了一周，因而其 机械频率也是1Hz。总之，一个双相步进电机的电频率和机械频率之间的关系可以用下式表示：fe=fm*P/2(1) 其中，fe代表电机的电频率，fm代表其机械频率，而P则代表电机转子的等距磁极数。 从图2中我们还可以看出，每一步操作都会使转子旋转90°，也就是说，一个双相步进电机每一步操作造成的旋转度数 可由下式表示：1step=180°/P(2) 由等式(2)可知，一个双极电机每动作一次可以旋转180°/2=90°，这与我们在图2中看到的情形正好相符。此外， 该等式还表明，电机的磁极数越多，步进精度就越高。常见的是磁极数在12 和200 个之间的双相步进电机，这些电机 的步进精度在15°和 0.9°之间。 （图3：双相六极电机） 图3 给出的例子是一个双相、6 极步进电机，其中包含3 个永久磁铁，因而有6 个磁极。第一步，如图3a所示， 我们给绕组1 施加电压，在定子中产生一个北极指向其顶部的磁场，于是，转子的南极(图3a中红色的“S”一端)转向了 该图的上方。接着，在图3b 中，我们给绕组2施加电压，定子中产生一个北极指向其左侧的磁场。于是，转子的一个 距离最近的南极转向了图的左方，即转子顺时针转动了 30°。第三步，在图3c 中，我们又向绕组1 施加一