11.1概述11.2反應式步進電動機典型結(jié)構(gòu)及工作原理11.3混合式步進電動機典型結(jié)構(gòu)及工作原理11.4步進電動機運行的基本特點11.5步進電動機的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和矩角特性11.6步進電動機的單步運行11.7步進電動機的連續(xù)脈沖運行及矩頻特性11.8步進電動機的驅(qū)動方式11.9步進電動機的細分控制11.10步進電動機的主要性能指標和技術(shù)數(shù)據(jù)思考題與習題第11章步進電動機11.1概述步進電動機是一種將離散的電脈沖信號轉(zhuǎn)化成角（或者線）位移的電磁裝置。根據(jù)輸入的脈沖信號，每改變一次通電狀態(tài)，步進電動機就前進一定的角度；若不改變通電狀態(tài)，則其保持在一定的位置而靜止。在步進電動機驅(qū)動能力范圍內(nèi)，其輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，且轉(zhuǎn)速與脈沖的頻率成正比，不因電源電壓、負載大小和環(huán)境條件等的波動而變化。步進電動機是一種輸出與輸入脈沖相對應的增量式驅(qū)動元件，國外一般稱之為StepperMotor或Stepper等。步進電動機在自動控制裝置中常作為執(zhí)行元件。由于步進電動機精度高、慣性小，在不失步的情況下沒有步距誤差積累，特別適用于開環(huán)數(shù)字控制的定位系統(tǒng)，因此在生產(chǎn)自動化設備（數(shù)控機床、自動生產(chǎn)線）中作為控制用電動機和驅(qū)動用電動機而得到廣泛應用，同時也廣泛應用于自動化儀表、辦公自動化設備和計算機外圍設備等領域。步進電動機不能直接接到交/直流電源上工作，而必須使用專用設備——步進電動機驅(qū)動器。步進電機驅(qū)動器通過外加控制脈沖，并按環(huán)形分配器決定的分配方式，控制步進電動機各相繞組的導通或截止，從而使電動機產(chǎn)生步進運動。步進電機工作性能的優(yōu)劣，除了取決于步進電機本身的性能因素外，還取決于步進電機驅(qū)動器性能的優(yōu)劣。實際上步進電動機與驅(qū)動器是密不可分的兩部分，兩者一起統(tǒng)稱為步進電機系統(tǒng)或步進電機單元，其運行性能是電機本體和驅(qū)動器兩者配合所反映出來的綜合效果。從應用的角度來說，對步進電動機的基本要求如下：（1）在電脈沖的控制下，步進電動機能迅速啟動、正/反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)，以及轉(zhuǎn)速能在較寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。（2）每個脈沖對應的位移量小且準確、均勻，即步距小、步距精度高、不失步，以保證系統(tǒng)精度。（3）輸出足夠的轉(zhuǎn)矩，直接帶動負載運行。常用的步進電動機有三類：（1）永磁式步進電動機（PM）。永磁式步進電動機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積都較小，消耗功率較小，步距角較大（一般為7.5°或15°），啟動頻率和運行頻率較低。（2）反應式步進電動機（VR）。反應式步進電動機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步距角較?。勺鞯?°～15°，甚至更?。?，精度容易保證，啟動和運行頻率較高。但功耗較大，效率較低，噪聲和振動都很大。（3）混合式步進電動機（HB）?；旌鲜讲竭M電動機又稱永磁感應子式步進電動機，是永磁式步進電動機和反應式步進電動機兩者的結(jié)合，不僅具有反應式（磁阻式）步進電動機步距小、運行頻率高的特點，還具有永磁步進電動機消耗功率小等優(yōu)點，因而成為目前工業(yè)運動控制應用中最為廣泛的步進電動機品種之一。混合式步進電動機分為兩相、三相和五相等。11.2反應式步進電動機典型結(jié)構(gòu)及工作原理11.2.1典型結(jié)構(gòu)反應式步進電動機的典型結(jié)構(gòu)如圖11－1所示。這是一臺四相電機，其中定子鐵心由硅鋼片疊成，定子上有8個磁極(大齒)，每個磁極上又有許多小齒；它有4套定子繞組，繞在徑向相對的兩個磁極上的一套繞組為一相。轉(zhuǎn)子也是由疊片鐵心構(gòu)成的，沿圓周有很多小齒，轉(zhuǎn)子上沒有繞組。根據(jù)工作要求，定子磁極上小齒的齒距和轉(zhuǎn)子上小齒的齒距必須相等，而且對轉(zhuǎn)子的齒數(shù)有一定的限制。圖中轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50個，定子每個磁極上小齒數(shù)為5個。圖11-1反應式步進電動機典型結(jié)構(gòu)圖11.2.2工作原理

1.三相步進電動機的運行分析圖11-2所示是一臺最簡單的三相反應式步進電動機(三相單三拍)示意圖。定子上有6個磁極（大齒），磁極表面不帶小齒，每兩個徑向相對的極上繞有一相控制繞組，共有三相，分別標記為A、B和C；轉(zhuǎn)子上有4個齒，分別標記為1、2、3和4，其齒寬等于定子的極靴寬，轉(zhuǎn)子兩個齒中心線間所跨過的圓周角即齒距角為90°。圖11-2三相反應式步進電動機三相單三拍運行示意圖三相電機運行時，可以是三相中每次只有一相繞組通電來工作，也可以是兩相同時通電，或者是單相和兩相交替通電。前一種運行方式稱為三相單三拍，這里所謂“三相”是指步進電動機具有三相定子繞組；“單”是指每次只有一相繞組通電；“三拍”是指三次換接為一個循環(huán)，第四次換接重復第一次的情況。據(jù)此，將后兩種運行方式分別稱為三相雙三拍和三相六拍。以下將具體進行分析。（1）三相單三拍運行。先假設電機按照A-B-C-A…的順序通電運行。當A相繞組通電而B相和C相都不通電時，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，因此轉(zhuǎn)子齒1和3的軸線與定子A相磁極軸線對齊，如圖11-2（a）所示，而相鄰兩相B和C的定子齒和轉(zhuǎn)子齒錯開1/3轉(zhuǎn)子齒距角(即30°)。當斷開A相接通B相時，轉(zhuǎn)子便按逆時針方向轉(zhuǎn)過30°，使轉(zhuǎn)子齒2和4的軸線與定子B相磁極軸線對齊，如圖11-2（b）所示。同理，斷開B相，接通C相，則轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過30°，使轉(zhuǎn)子齒1和3的軸線與C相磁極軸線對齊，如圖11-2（c）所示。如此按A-B-C-A…的順序不斷接通和斷開控制繞組，轉(zhuǎn)子就會一步一步地按逆時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)速取決于各繞組通電和斷電的頻率（即輸入的脈沖頻率）。如果將通電順序改為A-C-B-A…，則電機轉(zhuǎn)向相反，變?yōu)榘错槙r針方向轉(zhuǎn)動。因此，步進電動機的旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流通電的順序。（2）三相六拍運行。三相六拍運行的一種供電方式是A-AB-B-BC-C-CA-A…，這時每一循環(huán)換接6次，總共有6種通電狀態(tài)，這6種通電狀態(tài)中有時只有一相繞組通電（如A相），有時有兩相繞組同時通電（如A相和B相）。圖11-3所示為三相反應式步進電動機三相六拍運行示意圖。假定開始時先單獨接通A相繞組，這時的情況與三相單三拍的情況相同，轉(zhuǎn)子齒1和3的軸線與定子A相磁極軸線對齊，如圖11-3（a）所示。接著當A、B兩相同時接通時，轉(zhuǎn)子位置需要兼顧到使A、B相兩對磁極所形成的兩路磁通在氣隙中所遇到的磁阻以同樣程度達到最小。此時，A、B相磁極與轉(zhuǎn)子齒相作用的磁拉力大小相等且方向相反，于是轉(zhuǎn)子在此處于平衡狀態(tài)。顯然，這樣的平衡位置就是轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過15°時所處的位置，如圖11-3（b）所示。這時，轉(zhuǎn)子齒既不與A相磁極軸線重合，也不與B相磁極軸線重合，但A相與B相磁極對轉(zhuǎn)子齒所產(chǎn)生的磁拉力卻是平衡的。然后，當斷開A相繞組使B相單獨導通時，在磁拉力的作用下轉(zhuǎn)子繼續(xù)按逆時針方向轉(zhuǎn)動，直到轉(zhuǎn)子齒2和4的軸線與定子B相磁極軸線對齊，如圖11-3（c）所示，這時轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過了15°。依此類推，如果繼續(xù)按照BC-C-CA-A…的順序使繞組導通，步進電動機就會不斷地按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。若將通電次序改為A-AC-C-CB-B-BA-A…，則電機轉(zhuǎn)向相反，變?yōu)榘错槙r針方向轉(zhuǎn)動。（3）三相雙三拍運行。三相雙三拍運行方式可以按照AB-BC-CA-AB…的順序或者AB-CA-BC-AB…的順序供電。這時，與三相單三拍運行時一樣，總共有3種通電狀態(tài)，每一循環(huán)也是換接3次，但不同的是每次換接都有兩相繞組導通，如圖11-3（b）、（d）所示，此時轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的角度與三相單三拍時的相同，也是30°。圖11-3三相反應式步進電動機三相六拍運行示意圖

2.四相步進電動機運行分析以上討論的是一臺最簡單的三相反應式步進電動機的工作原理，實際應用中，為了滿足更高的精度要求，大多采用更多相和定、轉(zhuǎn)子帶有很多小齒的結(jié)構(gòu)，如圖11-1所示。下面分析四相反應式步進電動機的工作原理。（1）四相單四拍運行。四相單四拍的通電方式為A-B-C-D-A…。對于圖11-1所示的四相反應式步進電動機，當A相繞組通電時，產(chǎn)生的磁通沿A和A′極軸線方向。磁通力圖通過磁阻最小的路徑，因而轉(zhuǎn)子受到反應轉(zhuǎn)矩（磁阻轉(zhuǎn)矩）的作用而轉(zhuǎn)動，直到轉(zhuǎn)子齒軸線與定子磁極A和A′上的齒軸線對齊為止。圖11-4四相單四拍運行A相通電時的定、轉(zhuǎn)子齒相對位置接著斷開A相而導通B相,這時磁通沿B、B′極軸線方向，在反應轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子會按順指針轉(zhuǎn)過1.8°，使B和B′極下的定、轉(zhuǎn)子齒軸線對齊，而C、C′和A、A′極下的定子齒和轉(zhuǎn)子齒又會錯開1.8°。依此類推，當繞組按A-B-C-D-A…的順序循環(huán)導通時，轉(zhuǎn)子就按順時針一步步連續(xù)地轉(zhuǎn)動起來。每換接一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/4齒距角。如果要使該步進電動機反轉(zhuǎn)，即逆時針轉(zhuǎn)動，只要改變通電順序，按A-D-C-B-A…循環(huán)通電即可。（2）四相八拍運行。與三相六拍相似，四相八拍也可以采用單相和兩相相間隔的通電狀態(tài)，即按A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A…的順序通電。當由A相通電轉(zhuǎn)到A、B兩相同時通電時，定、轉(zhuǎn)子齒的相對位置會由圖11-4所示的位置變?yōu)閳D11-5所示的位置（只畫出了A、B兩個極下的情況），轉(zhuǎn)子按順時針轉(zhuǎn)過1/8齒距角，即0.9°。此時A、B兩相極下的齒軸線和轉(zhuǎn)子齒軸線都錯開了1/8齒距角，但轉(zhuǎn)子受到兩個極的作用力矩大小相等、方向相反，故處于平衡狀態(tài)。圖11-5四相八拍運行A、B兩相通電時定、轉(zhuǎn)子齒的相對位置（3）四相雙四拍運行。四相步進電動機按AB-BC-CD-DA-AB…的方式通電，即為四相雙四拍運行。此時的步距角與四相單四拍運行時相同，為1/4齒距角(即1.8°)。11.3混合式步進電動機典型結(jié)構(gòu)及工作原理11.3.1典型結(jié)構(gòu)混合式步進電動機的本體結(jié)構(gòu)為定子的內(nèi)圓、轉(zhuǎn)子的外圓都開有小齒，轉(zhuǎn)子永磁體分為兩段，采用軸向勵磁，且左、右轉(zhuǎn)子沖片相互錯開半個轉(zhuǎn)子齒距。圖11-6所示為較簡單和常見的兩相混合式步進電動機的結(jié)構(gòu)示意圖。圖11-6（a）中在S極段的轉(zhuǎn)子齒背面。轉(zhuǎn)子由兩段鐵心和夾在中間的永磁體構(gòu)成。永磁體采用高性能永磁材料，軸向充磁。這樣，轉(zhuǎn)子鐵心一段為N極，另一段為S極。永磁磁路也是軸向的，從轉(zhuǎn)子的N端到定子的Ⅰ端，軸向到定子的Ⅱ端、轉(zhuǎn)子的S極端，經(jīng)磁體閉合。兩段鐵心的齒相互錯開半個齒距，當一段鐵心的齒與定子某相極下的齒對齊時，另一段鐵心的齒便與該極下的槽對齊。定子上有兩對極，極下有小齒，每一對極上繞有一相繞組，繞組通電時這兩個極產(chǎn)生極性相反的磁極。圖11-6兩相混合式步進電動機結(jié)構(gòu)示意圖（a）N端視圖；（b）剖面圖；（c）轉(zhuǎn)子示意圖11.3.2工作原理混合式步進電動機是在永磁磁場和變磁阻原理共同作用下運轉(zhuǎn)的。若轉(zhuǎn)子上的永磁體沒有充磁，只是在定子的控制繞組里通電，電動機將不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；同樣，若定子繞組不通電，僅僅有轉(zhuǎn)子永磁體磁場的作用，電動機也基本上不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。只有在轉(zhuǎn)子永磁磁場與定子磁場的相互作用下，電動機才產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。在轉(zhuǎn)子永磁體充磁且有某一相通電的情況下，轉(zhuǎn)子就有一定的穩(wěn)定平衡位置，該平衡位置是使通電相磁路的磁阻為最小的位置，而混合式步進電動機定、轉(zhuǎn)子異極性的極下磁阻最小，同極性的極下磁阻最大。例如，若A相通電，則其平衡位置為A相定子磁極與N段轉(zhuǎn)子（圖中所示N極性一段的轉(zhuǎn)子）齒對齒的位置，如圖11-6（a）所示。下面以此兩相電機為例說明混合式步進電動機的基本工作原理。（1）兩相單四拍運行。兩相混合式步進電動機的兩相單四拍運行是在A、B兩相繞組內(nèi)按A－B－A－B－A…輪流通入正、反方向電流的運行方式(其中A、B表示該相反方向通電)。當某一相繞組通電，例如A相繞組正向通電而B相不通電時，電動機內(nèi)建立以AA′為軸線的磁場。這時A相磁極A呈S極性而A′呈N極性，轉(zhuǎn)子處于圖11-6（a）所示的平衡位置，A相磁極與N段轉(zhuǎn)子齒軸線重合，與S段轉(zhuǎn)子齒錯開1/2齒距。此時，B相磁極與轉(zhuǎn)子齒錯開1/4齒距。在A相斷電、B相繞組正向通電時，則建立以BB′為軸線的磁場。此時，B相磁極B呈S極性而B′呈N極性，轉(zhuǎn)子沿順時針方向轉(zhuǎn)過1/4齒距到達新的平衡位置，B相磁極與N段轉(zhuǎn)子齒軸線重合，與S段轉(zhuǎn)子齒錯開1/2齒距，如圖11-7（a）所示。在B相斷電、A相繞組反向通電時，則又建立以AA′為軸線的磁場，但此時A相磁極A呈N極性而A′呈S極性，轉(zhuǎn)子再次沿順時針方向轉(zhuǎn)過1/4齒距，到達A相磁極與S段轉(zhuǎn)子齒軸線重合，并與N段轉(zhuǎn)子齒錯開1/2齒距的平衡位置，如圖11-7（b）所示。在A相斷電、B相繞組反向通電時，則又建立以BB′為軸線的磁場。而此時B相磁極B呈N極性而B′呈S極性，轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時針方向轉(zhuǎn)過1/4齒距，到達B相磁極與S段轉(zhuǎn)子齒軸線重合，并與N段轉(zhuǎn)子齒錯開1/2齒距的平衡位置，如圖11-7（c）所示。圖11-7兩相單四拍運行示意圖（a）B相繞組正向通電；（b）A相繞組反向通電；（c）B相繞組反向通電（2）兩相雙四拍運行。兩相混合式步進電動機還可以在兩相雙四拍方式下運行，即兩相同時通電，并按AB－AB－AB－AB－AB…的順序輪流通電。當給A、B兩相繞組同時正向通電時，電動機內(nèi)建立以A、B兩相磁極的幾何中線為軸線的磁場。此時A、B兩個磁極都呈S極性，轉(zhuǎn)子處于圖11-8(a)所示的平衡位置，A、B兩個磁極與N段轉(zhuǎn)子齒軸線錯開1/8齒距，與S段轉(zhuǎn)子齒錯開3/8齒距，同時A′、B′兩個磁極與N段轉(zhuǎn)子齒軸線錯開3/8齒距，與S段轉(zhuǎn)子齒錯開1/8齒距。圖11-8兩相雙四拍運行示意圖（3）半步運行。上述兩種兩相混合式步進電動機的運行方式都是整步運行的，除此之外，兩相混合式步進電動機還能以半步或微步（又稱細分控制）方式運行。半步運行方式為兩相繞組按A－AB－B－BA－A－AB－B－BA－A…的順序輪流通電，電動機沿AB′A′B（即順時針）方向轉(zhuǎn)動;反之則沿ABA′B′（即逆時針）方向轉(zhuǎn)動，并且每改變一次通電狀態(tài)，電動機就轉(zhuǎn)動1/8齒距。顯然，這種工作方式是單相勵磁與兩相勵磁交替出現(xiàn)，每一拍的轉(zhuǎn)矩不相等，在兩相勵磁時，轉(zhuǎn)矩由兩相轉(zhuǎn)矩矢量合成，比單相轉(zhuǎn)矩要大。有關(guān)微步運行方式將在后續(xù)章節(jié)做詳細敘述。 11.4步進電動機運行的基本特點1.步進電動機的通電方式步進電機工作時，每相繞組不是恒定通電，而是由環(huán)形分配器按一定規(guī)律控制驅(qū)動電路的通、斷，給各相繞組輪流通電的。例如，一個按三相雙三拍運行的環(huán)形分配器的輸入有一路、輸出有A、B、C三路，若開始時A、B這兩路有電壓，則輸入一個控制電脈沖后，就變成B、C這兩路有電壓；再輸入一個電脈沖，則變成C、A這兩路有電壓；再輸入一個電脈沖，又變成A、B這兩路有電壓了。環(huán)形分配器輸出的各路控制脈沖信號送入各自的驅(qū)動電路，給步進電動機的各相繞組輪流供電，使步進電動機一步步轉(zhuǎn)動。圖11-9所示為三相步進電動機的控制框圖。圖11-9三相步進電動機控制框圖步進電動機這種輪流通電的方式稱為分配方式。每循環(huán)一次所包含的通電狀態(tài)數(shù)稱為狀態(tài)數(shù)或拍數(shù)。狀態(tài)數(shù)等于相數(shù)的稱為單拍制分配方式（如三相單三拍，四相雙四拍等）；狀態(tài)數(shù)等于相數(shù)的兩倍的稱為雙拍制分配方式（如三相六拍，四相八拍等）。同一臺電機可有多種分配方式，但不管分配方式如何，每循環(huán)一次，控制電脈沖的個數(shù)總等于拍數(shù)N，而加在每相繞組上的脈沖電壓(或電流)個數(shù)卻等于1，因而控制電脈沖頻率f是每相脈沖電壓(或電流)頻率f相的N倍，即(11-1)2.步進電動機的步距角每輸入一個脈沖電信號時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，用符號θb表示。從前述分析可見，無論是反應式步進電動機的四相單四拍或者四相雙四拍運行，還是混合式步進電動機的兩相單四拍或者兩相雙四拍運行，每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子都轉(zhuǎn)過1/4齒距角，轉(zhuǎn)子需要走4步才轉(zhuǎn)過一個齒距角。反應式步進電動機四相八拍運行和兩相混合式步進電動機的半步運行，每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子都轉(zhuǎn)過1/8齒距角，轉(zhuǎn)子需要走8步才轉(zhuǎn)過一個齒距角。所以，轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的空間角度（機械角度）即步距角為(11-3)

(11-2)式中，N為運行拍數(shù)，通常為相數(shù)的整數(shù)倍；θt是轉(zhuǎn)子相鄰兩齒間的夾角，即齒距角，為式中，ZR為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。所以步距角可進一步表示為(11-4)為了提高反應式步進電動機的工作精度，就要求步距角很小。由式（11-4）可見，要減小步距角可以增加拍數(shù)N。相數(shù)增加相當于拍數(shù)增加，但相數(shù)越多，電源及電機的結(jié)構(gòu)也越復雜。反應式步進電動機一般作到六相，個別的也有八相或更多相數(shù)的。對同一相數(shù)既可以采用單拍制，也可采用雙拍制，而采用雙拍制時步距角減小一半，所以一臺步進電動機可有兩個步距角。增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)ZR也可減小步距角。如果將轉(zhuǎn)子齒數(shù)看做轉(zhuǎn)子的極對數(shù)，一個齒就對應360°電角度，則用電角度表示的齒距角為θte=360°對應的步距角為(11-5)所以當拍數(shù)一定時，不論轉(zhuǎn)子齒數(shù)多少，用電角度表示的步距角均相同?？紤]到式(11-4)，用電角度表示的步距角(11-6)可見，與一般電機一樣，電角度等于機械角度乘上極對數(shù)(這里是轉(zhuǎn)子齒數(shù))。式中，f為控制脈沖的頻率，即每秒輸入的脈沖數(shù)。

3.步進電動機的位移和速度在角度（位移）控制時，每輸入一個脈沖，定子繞組就換接一次，輸出軸就轉(zhuǎn)過一個角度，其步數(shù)與脈沖數(shù)一致，輸出軸轉(zhuǎn)動的角位移量與輸入脈沖數(shù)成正比。速度控制時，送入步進電動機的是連續(xù)脈沖，各相繞組不斷地輪流通電，步進電機連續(xù)運轉(zhuǎn)，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。由式（11-4）可見，每輸入一個脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度是整個圓周角的，也就是轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)，因此每分鐘轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的圓周數(shù)，即轉(zhuǎn)速為(11-7)由式(11-7)可見，反應式步進電動機轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)，而與電壓、負載、溫度等因素無關(guān)。當轉(zhuǎn)子齒數(shù)一定時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與輸入脈沖頻率成正比，或者說其轉(zhuǎn)速和脈沖頻率同步。改變脈沖頻率可以改變轉(zhuǎn)速，故可進行無級調(diào)速，調(diào)速范圍很寬。另外，若改變通電順序，即改變定子磁場旋轉(zhuǎn)的方向，就可以控制電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。所以，步進電動機是用電脈沖進行控制的電機。改變電脈沖輸入的情況，就可方便地控制它，使它快速啟動、反轉(zhuǎn)、制動或改變轉(zhuǎn)速。步進電動機的轉(zhuǎn)速還可用步距角來表示，因為將式(11-7)進行變換，可得(11-8)式中，θb為用度數(shù)表示的步距角?？梢姡斆}沖頻率f一定時，步距角越小，電機轉(zhuǎn)速越低，因而輸出功率越小。所以從提高加工精度上要求，應選用小的步距角，但從提高輸出功率上要求，步距角又不能取得太小。一般步距角應根據(jù)系統(tǒng)中應用的具體情況進行選取。(4)步進電機具有自鎖能力。當控制電脈沖停止輸入，而讓最后一個脈沖控制的繞組繼續(xù)通直流電時，電機可以保持在固定的位置上，即停在最后一個脈沖控制的角位移的終點位置上。這樣，步進電動機可以實現(xiàn)停車時轉(zhuǎn)子定位。綜上所述，由于步進電動機工作時的步數(shù)或轉(zhuǎn)速既不受電壓波動和負載變化的影響(在允許負載范圍內(nèi))，也不受環(huán)境條件(溫度、壓力、沖擊、振動等)變化的影響，只與控制脈沖同步，同時它又能按照控制的要求，實現(xiàn)啟動、停止、反轉(zhuǎn)或改變轉(zhuǎn)速。因此，步進電動機被廣泛地應用于各種數(shù)字控制系統(tǒng)中。11.5步進電動機的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和矩角特性11.5.1反應式步進電動機的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和矩角特性1.單相通電時單相通電時，通電相磁極下的齒產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。這些齒與轉(zhuǎn)子齒的相對位置及所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩都是相同的，故可以用一對定、轉(zhuǎn)子齒的相對位置來表示轉(zhuǎn)子位置。電機總的轉(zhuǎn)矩就等于通電相極下各個定子齒所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之和。圖11-10定、轉(zhuǎn)子齒的相對位置圖11-10表示定子一個齒與轉(zhuǎn)子一個齒的相對位置。定子齒軸線與轉(zhuǎn)子齒軸線之間的夾角θe為電角度表示的轉(zhuǎn)子失調(diào)角。θt為一個齒距對應的角度，稱為齒距角。若用電弧度表示，則齒距角θte=2π。當失調(diào)角θe=0時，轉(zhuǎn)子齒軸線和定子齒軸線重合。此時，定、轉(zhuǎn)子齒之間雖有較大的吸力，但吸力是垂直于轉(zhuǎn)軸的，不是圓周方向，故電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為0，如圖11-11(a)所示。我們把θe=0,T=0的位置稱穩(wěn)定平衡位置(或協(xié)調(diào)位置)。圖11-11定、轉(zhuǎn)子間的作用力當失調(diào)角相對于協(xié)調(diào)位置以相反方向偏移，即失調(diào)角為負值時，－π<θe<0范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩的方向為順時針，故取正值，轉(zhuǎn)矩值的變化情況與上相同，故不再贅述。步進電動機的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T隨失調(diào)角θe的變化規(guī)律，即矩角特性T=f(θe)近似為正弦曲線，如圖11-12所示。步進電動機矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值Tjmax表示了步進電動機承受負載的能力，它與步進電動機很多特性的優(yōu)劣有直接的關(guān)系。因此，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值乃是步進電動機最主要的性能指標之一，通常在技術(shù)數(shù)據(jù)中都會指明。在設計步進電動機時，往往首先以此值為根據(jù)。上面定性地討論了單相通電時靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子失調(diào)角的關(guān)系，下面根據(jù)機電能量轉(zhuǎn)換原理推導靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的數(shù)學表達式。圖11–12步進電動機的矩角特性圖11-13能量轉(zhuǎn)換法求轉(zhuǎn)矩示意圖設定子每相每極控制繞組匝數(shù)為W，通入電流為I，轉(zhuǎn)子在某一位置(θ處)轉(zhuǎn)動了Δθ角(如圖11–13所示)，氣隙中的磁場能量變化為ΔWm，則電機的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩可按下式求出：若用導數(shù)表示，則(11-9)式中，Wm為電機的氣隙磁場能量。當轉(zhuǎn)子處于不同位置時，Wm具有不同數(shù)值，故Wm是轉(zhuǎn)子位置角θ的函數(shù)。氣隙磁能可以表示為(11-10)式中，w=HB/2為單位體積的氣隙磁能；V為一個極面下定、轉(zhuǎn)子間氣隙的體積。由圖11-13可見，當定、轉(zhuǎn)子軸向長度為l，氣隙長度為δ，氣隙平均半徑為r時，與角度dθ相對應的體積增量為dV=lδrdθ，故式(11-8)可表示為因為每極下的氣隙磁勢Fδ=Hδ，再考慮到通過dθ所包圍的氣隙面積的磁通dΦ=Bds=Blrdθ，所以按磁路歐姆定律式中，Λ為一個極面下氣隙磁導，則將此式代入式(11–9)，可得靜態(tài)轉(zhuǎn)矩考慮到下列關(guān)系式：式中，Zs為定子每極下的小齒數(shù)；G為氣隙比磁導，即單位軸向長度、一個齒距下的氣隙磁導，因而靜態(tài)轉(zhuǎn)矩(11-11)式中，氣隙比磁導與轉(zhuǎn)子齒相對于定子齒的位置有關(guān)，如轉(zhuǎn)子齒與定子齒對齊時，比磁導最大；轉(zhuǎn)子齒與定子槽對齊時，比磁導最??；其它位置時介于兩者之間。故可認為氣隙比磁導是轉(zhuǎn)子位置角θe的函數(shù)，即G=G(θe)。通?？蓪庀侗却艑в酶皇霞墧?shù)來表示式中，G0、G1、G2、G3……都與齒形、齒的幾何尺寸及磁路飽和度有關(guān)，可從有關(guān)資料中查得。若略去氣隙比磁導中的高次諧波，可得靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 T=-(IW)

2ZsZRlG1sinθe(N·m)(11-12)這就是步進電機靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角θe的關(guān)系式，即矩角特性，如圖11-12所示。當失調(diào)角θe=90°時，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為最大，即 Tjmax=(IW)

2ZsZRlG1(N·m)

(11-11)可見，當不計鐵心飽和時，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值與繞組電流平方成正比。2.多相通電時一般來說，多相通電時的矩角特性和最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Tjmax與單相通電時不同。按照疊加原理，多相通電時的矩角特性近似地可以由每相各自通電時的矩角特性疊加起來求出。先以三相步進電機為例。三相步進電動機可以單相通電，也可以兩相同時通電，下面推導三相步進電動機當兩相通電時(如A、B兩相)的矩角特性。如果轉(zhuǎn)子失調(diào)角θe是指A相定子齒軸線與轉(zhuǎn)子齒軸線之間的夾角，那末A相通電時的矩角特性是一條通過0點的正弦曲線(假定矩角特性可近似地看作正弦形)，可以用下式表示：TA=-T

jmaxsinθe

圖11-14A、B相定子齒相對轉(zhuǎn)子齒的位置當B相也通電時，由于θe=0時的B相定子齒軸線與轉(zhuǎn)子齒軸線相夾一個單拍制的步距角，這個步距角以電角度表示為θbe，其值為θbe=θte/3=120°電角度或2π/3電弧度，如圖11-16所示。所以B相通電時的矩角特性可表示為TB=-Tjmaxsin(θe-120°)這是一條與A相矩角特性相距120°(即θte/3)的正弦曲線。當A、B兩相同時通電時合成矩角特性應為兩者相加，即TAB=TA+TB

=-Tjmaxsinθe-Tjmaxsin(θe-120°)=-Tjmaxsin(θe-60°)(11-14)圖11-15三相步進電動機單相、兩相通電時的轉(zhuǎn)矩

(a)矩角特性；(b)轉(zhuǎn)矩向量圖圖11–16五相步進電動機單相、兩相通電時的轉(zhuǎn)矩m相電機n相同時通電時，各相的矩角特性表達式分別為 T1=-Tjmaxsinθe T2=-Tjmaxsin(θe-θbe) T3=-Tjmaxsin(θe-θbe)

… Tn=-Tjmaxsin［θe-(n-1)θbe］所以n相同時通電時轉(zhuǎn)矩式中，θbe為單拍制分配方式時的步距角(電角度或電弧度)。(11-15)因而m相電機n相同時通電時轉(zhuǎn)矩最大值與單相通電時轉(zhuǎn)矩最大值之比

(11–16)例如,五相電動機兩相通電時轉(zhuǎn)矩最大值為三相通電時一般而言，除了三相步進電動機外，多相電機的多相通電都能提高輸出轉(zhuǎn)矩，故一般功率較大的步進電動機（功率步進電動機）都采用大于三相的電機，而且是多相通電的分配方式。11.5.2混合式步進電動機的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和矩角特性1.單相通電時假設A相單獨通電，在不考慮飽和的情況下,A相磁鏈ψA為(11-17)式中，iA為A相電流；LA為A相電感，ψmA為轉(zhuǎn)子永磁體與A相互磁鏈。根據(jù)兩相混合式步進電動機的磁路模型有(11-18)式中，Λ0為磁導的恒定分量；Λ1為磁導的基波分量幅值；Fm為永磁體的等效磁動勢。根據(jù)機電能量轉(zhuǎn)換原理，可從磁場儲能Wf或磁共能Wf′對角位移θ的變化率求出A相單獨通電時的電磁轉(zhuǎn)矩，為磁場儲能Wf和磁共能Wf′的概念可用圖11-17來說明，Wf和Wf′分別為圖中所示相應部分的面積，圖中曲線即鐵磁材料的磁化曲線。一般來說，若磁路是飽和的，則磁化曲線為非線性，表示W(wǎng)f和Wf′的積分（面積）表達式不易計算，Wf和Wf′不相等。如果忽略飽和，則磁化曲線是一條直線，Wf和Wf′相等，即在圖11-17中，上、下兩個三角形的面積相等，為(11-19)將式（11-17）代入式（11-19）可得則電磁轉(zhuǎn)矩為(11-20)從式（11-18）中也可看出，在線性條件下，電感LA與角位移θ無關(guān)，因此上式中的第一項為零，電磁轉(zhuǎn)矩表達式變?yōu)?11-21)由于θe=ZRθ，再結(jié)合式（11-18）和式（11-21），可得混合式步進電動機單相通電時電磁轉(zhuǎn)矩為T=－2ZRΛ1WFmiAsinθe=－KtiAsinθe

(11-22)式中，Kt=2ZRΛ1WFm為電動機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，它與電動機的幾何尺寸、轉(zhuǎn)子永磁體的磁動勢等有關(guān)。圖11-17磁化曲線與磁場能量2.多相通電時與反應式步進電動機類似，按照疊加原理，多相通電時的矩角特性近似地可以由每相各自通電時的矩角特性疊加起來求出。對于兩相混合式步進電動機，仍假設轉(zhuǎn)子失調(diào)角θe是指A相定子齒軸線與轉(zhuǎn)子齒軸線之間的夾角。這時因為A相和B相繞組是正交的，相差π/2電角度，A、B兩相之間互感的平均值為0，即忽略互感的影響。A相通電時的矩角特性可以表示為TA=－KtiAsinθe

B相通電時，因為A相和B相繞組相差π/2電角度，所以B相通電時的矩角特性可表示為(11-23)若兩相混合式步進電動機A、B兩相中的電流按如下規(guī)律變化：(11-24)式中，I為繞組電流幅值。將式（11-24）代入式（11-23），可得當一臺電動機制造好以后，其轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kt基本上為一常數(shù)，電磁轉(zhuǎn)矩只與電流幅值有關(guān)。因此只要確定電流幅值，再通過控制使兩相混合式步進電動機A、B兩相中的電流按式（11-24）所示的規(guī)律變化，就能夠使兩相混合式步進電動機以恒定轉(zhuǎn)矩運行，從而達到恒轉(zhuǎn)矩控制的目的。對于三相混合式步進電動機，若三相電流按如下規(guī)律變化：則各相繞組電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩分別為于是，三相同時導通時的合成轉(zhuǎn)矩為可見，電磁轉(zhuǎn)矩也與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)，它正比于電流幅值。 11.6步進電動機的單步運行11.6.1單步運行和最大負載能力1.單步運行仍以三相反應式步進電機為例，假設其矩角特性為正弦波形，失調(diào)角θe是A相定子齒軸線與轉(zhuǎn)子齒軸線之間的夾角。A相通電時的矩角特性如圖11-18中曲線A所示。圖中，θe=0的點是對應A相定子齒軸線與轉(zhuǎn)子齒軸線相重合時的轉(zhuǎn)子位置，即平衡位置。當電機處于理想空載，即不帶任何負載時，轉(zhuǎn)子停在θe=0的位置上。如果此時送入一個控制脈沖，切換為B相繞組通電，矩角特性就移動一個步距角θbe（等于120°），躍變?yōu)榍€B，θe=120°就成為新的平衡位置。但切換的瞬時轉(zhuǎn)子還處于θe=0的位置，對應θe=0的電磁轉(zhuǎn)矩已由T=0突變?yōu)門=Tjmaxsin120°（對應圖中a點的轉(zhuǎn)矩）。電機在電磁轉(zhuǎn)矩作用下將向新的初始平衡位置移動，直至θe=120°為止。這樣，電機從θe=0到θe=120°步進了一步（一個步距角）。如果不斷送入控制脈沖，使繞組按照A-B-C-A…的順序不斷換接，電機就不斷地一步一步轉(zhuǎn)動，每走一步轉(zhuǎn)過一個步距角，這就是步進電動機作單步運行的情況。圖11-18空載時步進電動機的單步運行當電機帶有恒定負載TL時，若A相通電，轉(zhuǎn)子將停留在失調(diào)角為θea的位置上，如圖11-19所示。當θe=θea時，電磁轉(zhuǎn)矩TA（對應a點的轉(zhuǎn)矩）與負載轉(zhuǎn)矩TL相等，轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)。圖11-19負載時步進電動機的單步運行如果送入控制脈沖，轉(zhuǎn)換到B相通電，則轉(zhuǎn)子所受的有效轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩TB與負載轉(zhuǎn)矩TL之差，即圖11-19上的陰影部分。轉(zhuǎn)子在此轉(zhuǎn)矩的作用下也轉(zhuǎn)過一個步距角120°，由θe=θea轉(zhuǎn)到新的平衡位置θe=θeb。這樣，當繞組不斷地換接時，電機就不斷作步進運動，而步距角仍為120°電角度。

2.最大負載能力現(xiàn)在來確定步進電機作單步運行時能帶動的最大負載。圖11-20所示為電機作單步運行時的矩角特性，圖中相鄰兩狀態(tài)矩角特性的交點所對應的電磁轉(zhuǎn)矩用Tq表示。當電機所帶負載的阻轉(zhuǎn)矩TL<Tq時，如果開始時轉(zhuǎn)子是處在失調(diào)角為θem的平衡點m，當控制脈沖切換通電繞組使B相通電時，矩角特性躍變?yōu)榍€B。這時，對應角θem的電磁轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩，電機就會在電磁轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)過一個步距角到達新的平衡位置n。但是，如果負載阻轉(zhuǎn)矩TL′>Tq，開始時轉(zhuǎn)子處于失調(diào)角為θem′的m′點，則當繞組切換后，對應于θem′的電磁轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，電機就不能作步進運動了。圖11-20最大負載能力的確定可見，電機以一定通電方式運行時，相鄰矩角特性的交點所對應的轉(zhuǎn)矩Tq是電機作單步運動所能帶動的極限負載，也稱為極限啟動轉(zhuǎn)矩。實際應用中，電機所帶的負載轉(zhuǎn)矩TL必須小于極限啟動轉(zhuǎn)矩才能運行。同時可以看出，步距角減小可使相鄰矩角特性位移減少，就可提高極限啟動轉(zhuǎn)矩Tq，增大電機的負載能力。例如，當三相步進電動機的運行方式為三相單三拍或三相雙三拍時，極限啟動轉(zhuǎn)矩為但在三相六拍運行時，矩角特性幅值不變，而步距角小了一半（如圖11-15（a）所示)，極限啟動轉(zhuǎn)矩為所以，采用雙拍制分配方式后，由于步距角減小，使三相步進電動機的極限啟動轉(zhuǎn)矩要比單拍制時大一些。三相電機多相通電時，由于矩角特性幅值不變，因而電機負載能力并沒有得到很大提高。若采用相數(shù)更多的電機且多相通電，則可能使矩角特性的幅值增加，也能使該特性的交點上移，從而提高極限啟動轉(zhuǎn)矩，例如五相電機采用三相-兩相輪流通電時的情況（如圖11-16（a）所示）。如果矩角特性為正弦波形，且相鄰矩角特性的幅值相等，用電度角表示步距角θbe時，相鄰矩角特性的交點所對應的角度為(θbe－π)/2，則電機的最大負載能力即極限啟動轉(zhuǎn)矩為(11-27)因為用電角度表示的步距角θbe＝

（N為拍數(shù)），所以(11-28)顯然，拍數(shù)越多，極限啟動轉(zhuǎn)矩Tq越接近于Tjmax。需要強調(diào)的是，一般情況下相鄰矩角特性幅值不相等，就不能用式（11-28）計算Tq。同時應該注意到，矩角特性曲線的波形對電動機帶動負載的能力也有較大的影響。平頂波形矩角特性Tq值接近Tjmax值，有較大的帶負載能力，因此步進電動機理想的矩角特性應是矩形波形。以上討論的Tq值是電機作單步運行時的最大允許負載。由于負載值可能變化，而Tjmax計算也不準確，因而實際應用時應留有相當?shù)挠嗔坎拍鼙ＷC電機可靠運行。11.6.2單步運行時轉(zhuǎn)子的振蕩現(xiàn)象上面的分析認為,當繞組切換時,轉(zhuǎn)子是單調(diào)地趨向新的平衡位置，但實際情況并非如此，可以結(jié)合圖11-21予以說明。圖11-21無阻尼時轉(zhuǎn)子的自由振蕩(a)轉(zhuǎn)子運動示意圖；(b)轉(zhuǎn)子位置隨時間的變化如果開始時A相通電，轉(zhuǎn)子處于失調(diào)角為θe=0的位置。當繞組換接使B相通電時，B相定子齒軸線與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開θbe角，矩角特性向前移動了一個步距角θbe，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩作用下由a點向新的平衡位置θe=θbe的b點（即B相定子齒軸線和轉(zhuǎn)子齒軸線重合）位置作步進運動；到達b點位置時，轉(zhuǎn)矩就為0，但轉(zhuǎn)速不為0。由于慣性作用，轉(zhuǎn)子要越過平衡位置繼續(xù)運動。當θe>θbe時，電磁轉(zhuǎn)矩為負值，因而電機減速。失調(diào)角θe繼續(xù)增大，負的轉(zhuǎn)矩也越來越大，電機減速就越快，直至速度為0的c點。如果電機沒有受到阻尼作用，c點所對應的失調(diào)角為2θbe，這時B相定子齒軸線與轉(zhuǎn)子齒軸線反方向錯開θbe角。以后電機在負轉(zhuǎn)矩作用下向反方向轉(zhuǎn)動，又越過平衡位置回到開始出發(fā)點a點。這樣，如果無阻尼作用，繞組每換接一次，電機就環(huán)繞新的平衡位置來回作不衰減的振蕩，稱為自由振蕩，如圖11-21（b）所示。自由振蕩幅值為一個步距角θbe。若自由振蕩角頻率為ω0′，則相應的振蕩頻率和周期分別為自由振蕩角頻率ω0′與振蕩的幅值有關(guān)。當拍數(shù)很大時，步距角很小，自由振蕩的幅值很小。也就是說，轉(zhuǎn)子在平衡位置附近作微小的振蕩，這時振蕩的角頻率稱為固有振蕩角頻率，用ω0表示。理論上可以證明固有振蕩角頻率為(11-29)式中，J為轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量。固有振蕩角頻率ω0是步進電機一個很重要的參數(shù)。隨著拍數(shù)減少，步距角增大，自由振蕩的幅值也增大，自由振蕩頻率就減小。自由振蕩角頻率與振蕩幅值（即步距角）的關(guān)系如圖11-22所示。實際上轉(zhuǎn)子作無阻尼的自由振蕩是不可能的，由于軸上的摩擦、風阻及內(nèi)部電阻尼等存在，因此電動機單步運行時轉(zhuǎn)子環(huán)繞平衡位置的振蕩過程總是衰減的，如圖11-23所示。阻尼作用越大，衰減得越快，最后仍穩(wěn)定于平衡位置附近。圖11-22自由振蕩角頻率與振蕩幅值的關(guān)系圖11-23有阻尼時轉(zhuǎn)子的衰減振蕩11.7步進電動機的連續(xù)脈沖運行和動特性隨著外加脈沖頻率的提高，步進電動機進入連續(xù)轉(zhuǎn)動狀態(tài)。在運行過程中具有良好的動態(tài)性能是保證控制系統(tǒng)可靠工作的前提。例如，在控制系統(tǒng)的控制下，步進電動機經(jīng)常作啟動、制動、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等動作，并在各種頻率下(對應于各種轉(zhuǎn)速)運行，這就要求電機的步數(shù)與脈沖數(shù)嚴格相等，即不丟步也不越步，而且轉(zhuǎn)子的運動應是平穩(wěn)的。但這些要求常常并不都能滿足，例如由于步進電機的動態(tài)性能不好或使用不當，會造成運行中的丟步，這樣，由步進電機的“步進”所保證的系統(tǒng)精度就失去了意義。此外，當提高使用頻率時，步進電機的快速性也是動態(tài)性能的重要內(nèi)容之一。所以，有必要對步進電動機的動態(tài)特性作一定的分析。11.7.1運行矩頻特性步進電動機作單步運行時的最大允許負載轉(zhuǎn)矩為Tq，但當控制脈沖頻率逐步增加，電機轉(zhuǎn)速逐步升高時，步進電動機所能帶動的最大負載轉(zhuǎn)矩值將逐步下降。這就是說，電機連續(xù)轉(zhuǎn)動時所產(chǎn)生的最大輸出轉(zhuǎn)矩T是隨著脈沖頻率f的升高而減少的。T與f兩者間的關(guān)系曲線稱為步進電動機運行矩頻特性，它是一條如圖11-24所示的下降曲線。圖11-24運行矩頻特性圖11-25單一電壓型電源為什么頻率增高以后步進電機的負載能力要下降呢?一個主要原因就是定子繞組電感的影響。因為步進電機每相繞組是一個電感線圈，它具有一定的電感L，而電感有延緩電流變化的特性。以圖11-25的電源為例，當控制脈沖要求某一相繞組通電時，雖然三極管V1已經(jīng)導通，繞組已加上電壓，但繞組中的電流不會立即上升到規(guī)定的數(shù)值，而是按指數(shù)規(guī)律上升。同樣，當控制脈沖使V1截止，即要求這相繞組斷電時，繞組中的電流不會立即下降到0，而是通過放電回路按指數(shù)規(guī)律下降。每相控制信號電壓和繞組中的電流的波形如圖11-26所示。式中，L為繞組的電感；R為通電回路的總電阻，包括繞組本身的電阻、串聯(lián)電阻Rf1及三極管內(nèi)阻等。電流i下降的速度與放電回路的時間常數(shù)Ta′有關(guān)。而

(11-30)式中，R′為放電回路的總電阻，包括繞組本身的電阻，串聯(lián)電阻Rf1，二極管VD的內(nèi)阻等。電流上升的速度與通電回路的時間常數(shù)Ta有關(guān)。圖11–26控制電壓和繞組電流的波形圖11–27不同頻率時的電流波形當輸入脈沖頻率比較低時，每相繞組通電和斷電的周期T比較長，電流i的波形接近于理想的矩形波，如圖11-27(a)所示。這時，通電時間內(nèi)電流的平均值較大；當頻率升高后，周期T縮短，電流i的波形就和理想的矩形波有較大的差別，如圖11-27(b)；當頻率進一步升高，周期T進一步縮短時，電流i的波形將接近于三角形波，幅值也降低，因而電流的平均值大大減小，如圖11-27(c)。由式(11-13)可看出，轉(zhuǎn)矩近似地與電流平方成正比。這樣，頻率越高，繞組中的平均電流越小，電機產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩大大下降，負載能力也就大大下降了。此外，隨著頻率上升，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，在定子繞組中產(chǎn)生的附加旋轉(zhuǎn)電勢使電機受到更大的阻尼轉(zhuǎn)矩，電機鐵心中的渦流損耗也將很快增加。這些都是使步進電動機輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩下降的因素。所以，輸入脈沖頻率增高后，步進電機的負載能力逐漸下降，到某一頻率以后，步進電機已帶不動任何負載，只要受到很小的擾動，就會振蕩、失步以至停轉(zhuǎn)。11.7.2靜穩(wěn)定區(qū)和動穩(wěn)定區(qū)用矩角特性研究問題時，引入穩(wěn)定區(qū)的概念有一定的幫助。當轉(zhuǎn)子處于靜止狀態(tài)時，矩角特性如圖11-28曲線n所示。若轉(zhuǎn)子上沒有任何強制作用，則穩(wěn)定平衡點是坐標原點O。如果在外力矩作用下使轉(zhuǎn)子離開平衡點，那末只要失調(diào)角在-π＜θe＜+π范圍內(nèi)，去掉外力矩后，在電磁轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)子仍能回到平衡位置0點；如果不滿足這樣的條件，即θe＞+π或θe＜-π時，轉(zhuǎn)子就趨向前一齒或后一齒的平衡點運動，而離開了正確的平衡點θe=0，所以-π＜θe＜+π區(qū)域稱作靜穩(wěn)定區(qū)。圖11-28靜穩(wěn)定區(qū)和動穩(wěn)定區(qū)11.7.3不同頻率下的連續(xù)穩(wěn)定運行和運行頻率1.低頻丟步和低頻共振步進電動機在極低頻率下運行時，運行情況為連續(xù)的單步運動。此時，控制脈沖的頻率f較低，因而周期T較長，在控制脈沖作用下，轉(zhuǎn)子將從θe=0處一步一步連續(xù)地向新的平衡位置轉(zhuǎn)動。在前面討論單步運動時已經(jīng)知道，在有阻尼的情況下，此過程乃是一個衰減的振蕩過程，最后趨向于新的平衡位置。由于控制脈沖的頻率低，在一個周期內(nèi)轉(zhuǎn)子來得及把振蕩衰減得差不多，并穩(wěn)定于新的平衡位置或其附近。而當下一個控制脈沖到來時，電機好像又從不動的狀態(tài)開始，其每一步都和單步運行一樣。所以說，這時電機具有步進的特征，如圖11-29所示。必須指出，電機在這樣情況下運行時，一般是處于欠阻尼的狀態(tài)，因而振蕩是不可避免的，但最大振幅不會超過步距角θbe，因而不會出現(xiàn)丟步、越步等現(xiàn)象。隨著控制脈沖的頻率增加，脈沖周期縮短，因而有可能會出現(xiàn)在一個周期內(nèi)轉(zhuǎn)子振蕩還未衰減完時下一個脈沖就來到的情況。這就是說，下一個脈沖到來時(前一步終了時)，轉(zhuǎn)子位置處在什么地方是與脈沖的頻率有關(guān)的。圖11-32中，當脈沖周期為T′(T′=1/f′)時，轉(zhuǎn)子離開平衡位置的角度為θe0′，而周期為T″(T″=1/f″)時，轉(zhuǎn)子離開平衡位置的角度為θe0″。圖11-29具有步進特征的運行圖11–30不同脈沖周期的轉(zhuǎn)子位置值得注意的是，當控制脈沖頻率等于或接近步進電機振蕩頻率的1/k時(k=1,2,3……)，電機就會出現(xiàn)強烈振蕩甚至失步和無法工作，這就是低頻共振和低頻丟步現(xiàn)象。下面以三相步進電機為例來進行說明。步進電動機的低頻丟步物理過程如圖11-31所示。假定開始時轉(zhuǎn)子處于A相矩角特性的平衡位置a0點，第一個脈沖到來時，通電繞組換為B相，矩角特性移動一步距角θbe，則轉(zhuǎn)子應向B相之平衡位置b0點運動。由于轉(zhuǎn)子的運動過程是一個衰減振蕩，它要在b0點附近作若干次振蕩，其振蕩頻率接近于單步運動時的頻率ω0′，周期為T0′=2π/ω′0。如果控制脈沖的頻率也為ω0′，則第二個脈沖正好在轉(zhuǎn)子振蕩到第一次回擺的最大值時(對應圖中R點的步距角)到來。這時，通電繞組換為C相，矩角特性又移動θbe角。如果轉(zhuǎn)子對應于R點的位置是處在對于b0點的動穩(wěn)定區(qū)之外，即R點的失調(diào)角θeR＜(-π+θbe)，那末當C相繞組一通電時，轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩為負值，即轉(zhuǎn)矩方向不是使轉(zhuǎn)子由R點位置向C0點位置運動，而是向C0′點位置運動。接著第三個脈沖到來，轉(zhuǎn)子又由C0′返回a0點。這樣，轉(zhuǎn)子經(jīng)過三個脈沖仍然回到原來位置a0點，也就是丟了三步。這就是低頻丟步的物理過程。一般情況下，一次丟步的步數(shù)是運行拍數(shù)N的整數(shù)倍，丟步嚴重的轉(zhuǎn)子停留在一個位置上或圍繞一個位置振蕩。如果阻尼作用比較強，那末電機振蕩衰減得比較快，轉(zhuǎn)子振蕩回擺的幅值就比較小。轉(zhuǎn)子對應于R點的位置如果處在動穩(wěn)定區(qū)之內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩就是正的，電機就不會失步。另外，拍數(shù)越多，步距角θbe越小，動穩(wěn)定區(qū)就越接近靜穩(wěn)定區(qū)，這樣也可以消除低頻失步。當控制脈沖頻率等于1/k轉(zhuǎn)子振蕩頻率時，如果阻尼作用不強，即使電機不發(fā)生低頻失步，也會產(chǎn)生強烈振動，這就是步進電機低頻共振現(xiàn)象。圖11-34就是表示轉(zhuǎn)子振蕩兩次，而在第二次回擺時下一個脈沖到來的轉(zhuǎn)子運動規(guī)律?？梢?，轉(zhuǎn)子具有明顯的振蕩特性。共振時，電機就會出現(xiàn)強烈振動，甚至失步而無法工作，所以一般不容許電機在共振頻率下運行。但是如果采用較多拍數(shù)，再加上一定的阻尼和干摩擦負載，電機振動的振幅可以減小，并能穩(wěn)定運行。為了削弱低頻共振，很多電機專門設置了阻尼器，依靠阻尼器消耗振動的能量，限制振動的振幅。圖11-31步進電動機的低頻丟步圖11-32低頻共振時的轉(zhuǎn)子運動規(guī)律

2.連續(xù)運行頻率當控制脈沖頻率增加時，電機處于高頻脈沖下運行，這時，前一步的振蕩尚未到達第一次回擺最大值時下一個控制脈沖就到來了。如果頻率更高時，甚至前一步的振蕩尚未到達第一次振蕩的幅值就開始下一個脈沖。此時電機的運行如同同步電動機一樣連續(xù)地、平滑地轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定，如圖11-33所示。當電機有了一定轉(zhuǎn)速后，若再以一定速度升高頻率，則電機的轉(zhuǎn)速也會隨之增加。負載時，電機正常連續(xù)運行（不失步）所能加載的最高控制頻率稱為連續(xù)運行頻率或跟蹤頻率。連續(xù)運行頻率是步進電動機的一個重要技術(shù)指標，較高的連續(xù)運行頻率對提高勞動生產(chǎn)率大有好處。圖11-33高頻下的穩(wěn)定運行但是，頻率較高時，由于繞組電感的作用，電磁轉(zhuǎn)矩下降很多，負載能力較差，同時電機內(nèi)部的負載如軸承摩擦和風摩擦等也大為增加，因此，即使在空載的情況下，連續(xù)運行頻率也會受到限制。另外，當控制脈沖頻率很高時，矩角特性的移動速度也很快，轉(zhuǎn)子受到轉(zhuǎn)動慣量的影響可能跟不上矩角特性的移動，則轉(zhuǎn)子位置與平衡位置之差也會越來越大，最后因超出穩(wěn)定區(qū)而丟步，這也是限制連續(xù)運行頻率的一個原因。所以，減小電路時間常數(shù)、增大電磁轉(zhuǎn)矩、減小轉(zhuǎn)子慣量、采用機械阻尼器等都是提高連續(xù)運行頻率的有效措施。11.7.4步進電機啟動過程和啟動頻率若步進電機原來靜止于某一相的平衡位置上，當一定頻率的控制脈沖送入時電機就開始轉(zhuǎn)動，但其轉(zhuǎn)速不是一下子就能達到穩(wěn)定數(shù)值的，有一暫態(tài)過程，這就是啟動過程。在一定負載轉(zhuǎn)矩下，電機正常啟動時(不丟步、不失步)所能加的最高控制頻率稱為啟動頻率或突跳頻率，這也是衡量步進電機快速性能的重要技術(shù)指標。啟動頻率要比連續(xù)運行頻率低得多。這是因為電動機剛啟動時轉(zhuǎn)速等于0，在啟動過程中，電磁轉(zhuǎn)矩除了克服負載阻轉(zhuǎn)矩外，還要克服轉(zhuǎn)動部分的慣性矩Jd

2θ/dt

2(J是電機和負載的總慣量)，所以啟動時電機的負擔比連續(xù)運轉(zhuǎn)時為重。如果啟動時脈沖頻率過高，則轉(zhuǎn)子的速度就跟不上定子磁場旋轉(zhuǎn)的速度，以致第一步完了的位置落后于平衡位置較遠，以后各步中轉(zhuǎn)子速度增加不多，而定子磁場仍然以正比于脈沖頻率的速度向前轉(zhuǎn)動。因此，轉(zhuǎn)子位置與平衡位置之間的距離越來越大，最后因轉(zhuǎn)子位置落到動穩(wěn)定區(qū)以外而出現(xiàn)丟步或振蕩現(xiàn)象，從而使電機不能啟動。為了能正常啟動，啟動頻率不能過高，但當電機一旦啟動以后，如果再逐漸升高脈沖頻率，由于這時轉(zhuǎn)子角加速度d2θ/dt2較小，慣性矩不大，因此電機仍能升速。顯然連續(xù)運行頻率要比啟動頻率高。圖11-34啟動時的矩頻和慣頻特性

(a)啟動矩頻特性；(b)啟動慣頻特性11.8步進電動機的驅(qū)動方式11.8.1步進電機驅(qū)動方式的特點步進電機驅(qū)動電路框圖如圖11-35所示，主要包括變頻信號源、脈沖分配器和功率驅(qū)動電路。圖11-35步進電動機驅(qū)動電路框圖變頻信號源是一個頻率從數(shù)十赫茲到幾萬赫茲連續(xù)可變的脈沖信號發(fā)生器。脈沖分配器是由門電路和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的邏輯電路，它根據(jù)指令把脈沖信號按一定的邏輯關(guān)系加到功率驅(qū)動電路上，使步進電動機按一定的運行方式運轉(zhuǎn)。一般步進電動機需要幾個安培到幾十個安培的電流，而從環(huán)形分配器輸出的電流只有幾個毫安，因此，在環(huán)形分配器后面設計有功率驅(qū)動電路，用環(huán)形分配器的信號控制驅(qū)動電路來驅(qū)動步進電動機。當電機和負載確定之后，步進電動機系統(tǒng)的性能就完全取決于驅(qū)動控制方式。通常對驅(qū)動電路有以下要求和特點：(1)通電周期內(nèi)能提供足夠大的矩形波或接近矩形波的電流。(2)具有供截止期間釋放電流的回路，以降低相繞組兩端的反電動勢，加快電流衰減。(3)能最大限度地抑制步進電動機的振蕩。(4)驅(qū)動電路的功耗低、效率高。(5)驅(qū)動電路運行可靠，抗干擾能力強。(6)驅(qū)動電路成本低，便于生產(chǎn)。為了提高步進電機定位的分辨率，減少過沖和抑制振蕩，有時要求驅(qū)動電路具有細分功能，將常規(guī)的矩形波供電改變成階梯波供電。步進電動機的驅(qū)動方式，按相繞組流過的電流是單向的還是雙向的，分別稱為單極性和雙極性驅(qū)動。單極性驅(qū)動即繞組電流只向一個方向流動，適用于反應式步進電機。至于永磁式或混合式步進電動機，工作時要求定子磁極的極性交變，通常要求其繞組由雙極性驅(qū)動電路驅(qū)動，即繞組電流能正/反向流動。通常，三相、四相步進電動機采用單極性驅(qū)動，而兩相步進電動機必然采用雙極性驅(qū)動，使用兩個H橋功率開關(guān)是典型的驅(qū)動電路。從步進電動機繞組利用率來說，雙極性比單極性的利用率高。從功率驅(qū)動級電路結(jié)構(gòu)來看，步進電動機的驅(qū)動方式可分為電壓驅(qū)動和電流驅(qū)動兩種。其中電壓驅(qū)動方式包括串聯(lián)電阻驅(qū)動和雙電壓驅(qū)動；而電流驅(qū)動方式最常見的是采用電流反饋斬波驅(qū)動。為提高步進電動機的高速性能，希望功率開關(guān)速度提高后，相繞組電流仍然有較快速的上升和下降，并有較高的幅值。因此，驅(qū)動電路采用過激勵方式解決被驅(qū)動的相繞組都有較大的電感，總是使電流變化滯后于施加的開關(guān)電壓的問題。11.8.2步進電動機的驅(qū)動電路

1.單電壓驅(qū)動單電壓驅(qū)動是指在電機繞組工作過程中，只有一個方向電壓對繞組供電。圖11-36是單一電壓型電源的一相功放電路的原理圖，m相電機有m個這樣的功放電路。來自分配器的信號電壓經(jīng)過幾級電流放大后加到三極管V1的基極，控制V1的導通和截止。V1是功放電路的末級功放管，它與步進電機一相繞組串聯(lián)，所以通過功放管V1的電流與通過步進電機繞組的電流相等。圖11-36單電壓驅(qū)動原理圖(a）單元線路；（b）導通時；（c）截止時來自分配器的信號電壓經(jīng)過幾級電流放大后加到三極管V1的基極，控制V1的導通和截止。V1是功放電路的末級功放管，它與步進電機一相繞組串聯(lián)，所以通過功放管V1的電流與通過步進電機繞組的電流相等。單電壓驅(qū)動時的信號電壓及繞組中電流的波形參見圖11-26，由上一節(jié)介紹已經(jīng)知道，這樣的電流波形會使步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩減小，動態(tài)特性變壞。若要提高轉(zhuǎn)矩，應縮短電流上升的時間常數(shù)Ta，使電流波形的前沿變陡，這樣，電流波形可接近于矩形。由于Ta=L/R（見式（11-25）），要減少Ta就要求在設計電機時盡量減小繞組的電感L。另外，如果加大圖11-32中的串聯(lián)電阻Rf1，也可使時間常數(shù)Ta下降，但是加大Rf1以后，為了達到同樣的穩(wěn)態(tài)電流值，電源電壓就要作相應的提高（穩(wěn)態(tài)電流Iwy=U/R）。圖11-37（a）中曲線i′和i″分別表示串聯(lián)電阻Rf1′和Rf1″（Rf1″>Rf1′時)的繞組電流波形圖?？梢钥闯?，當Rf1增大后，電流幅值增大，波形更接近于矩形，這樣就可增大轉(zhuǎn)矩，提高啟動和連續(xù)運行頻率，并使啟動和運行矩頻特性下降緩慢。如圖11-37（b）所示，曲線T′和T″分別表示串聯(lián)電阻為Rf1′和Rf1″時的特性。圖11-37不同的串聯(lián)電阻值對電流及矩頻特性的影響（a）電流波形；（b）矩頻特性單電壓驅(qū)動的主要特點是線路簡單、功放元件少、成本低，低頻時響應較好，通?？稍诶@組回路中串接電阻以改善電路的時間常數(shù)來提高電機的高頻特性。缺點是串接電阻將產(chǎn)生大量的熱，對驅(qū)動器的正常工作極其不利，尤其是在高頻工作時更加嚴重，因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜艘蟛桓叩牟竭M電機驅(qū)動。

2.高低壓驅(qū)動高低壓驅(qū)動是在單電壓供電的基礎上為解決單電壓驅(qū)動的快速性不好等問題而發(fā)展起來的一種供電技術(shù)。其基本思路是，脈沖來到時，在電機繞組的兩端先施加一較高電壓，從而使繞組的電流迅速建立，使電流建立時間大為縮短；在相電流建立起來之后，改用低電壓，以維持相電流的大小。相比于單電壓驅(qū)動，高低壓驅(qū)動電路可驅(qū)動較大功率和性能指標要求較高的步進電機。高低壓驅(qū)動電路原理圖如圖11-38所示。圖11-38高低壓驅(qū)動原理圖（a）單元電路；（b）高壓工作時；（c）低壓工作時圖11-39高低壓切換驅(qū)動時的繞組電流波形圖

3.恒流斬波驅(qū)動對于步進電機而言，起主導作用的是繞組電流的波形，而不是加在繞組上的電壓波形，所以只要能對繞組電流實現(xiàn)精準控制，就能使電動機按照人們設計的要求運轉(zhuǎn)。步進電機恒流斬波驅(qū)動就是一種解決在導通、鎖定、低頻、高頻工作狀態(tài)時都保持繞組電流恒定的有效驅(qū)動方式，因為繞組電流從低速到高速運行范圍內(nèi)都保持恒定，彌補了高低壓驅(qū)動電路繞組電流波形有凹點的缺陷，提高了轉(zhuǎn)矩，這也是目前應用較多、效果較好的一種功率驅(qū)動方式。恒流斬波驅(qū)動原理圖如圖11-40所示。恒流斬波驅(qū)動電路的主回路由晶體管、電動機繞組、二極管組成。IC1和IC2分別是兩個控制門，控制V1和V2兩個晶體管的導通和截止。V2發(fā)射極串聯(lián)的小電阻R是一個采樣電阻，電動機繞組的電流經(jīng)這個小電阻接電源負端，小電阻的壓降與電動機繞組電流成正比。圖11-40恒流斬波驅(qū)動原理圖由環(huán)形分配器來的相繞組導通脈沖，通過IC2直接開通晶體管V2。門IC1輸入信號分別為環(huán)形分配器信號和來自比較器的信號。比較器的兩個輸入端，其中之一接恒流給定電平，另一個接采樣電阻的電壓信號。當環(huán)形分配器輸出導通信號時，高電平使IC1和IC2打開，輸出高電平使V1和V2導通，高電壓U經(jīng)V1和V2向電機繞組供電。由于電機繞組有較大電感，因此電流成指數(shù)上升，但所加電壓較高，所以電流上升較快。當電流超過所設定值時，比較器輸入的電阻采樣電壓超過給定電壓值，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出變低電平，從而IC1也輸出低電平，關(guān)斷晶體管V1。此時磁場能量將使繞組電流按原方向繼續(xù)流動，經(jīng)由低壓管V2、采樣電阻R、二極管VD1構(gòu)成的續(xù)流回路消耗磁場的能量，電流將按指數(shù)曲線衰減而逐漸下降。當采樣電阻上得到的電壓小于給定電壓時，比較器再次翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，使V1導通，電源又開始向繞組供電，繞組電流上升。以上過程不斷重復，電機繞組的電流就能穩(wěn)定在給定電平所決定的數(shù)值上，從而形成幅值波動很小的鋸齒波，恒流斬波驅(qū)動繞組電流波形如圖11-41所示。圖11-41恒流斬波驅(qū)動繞組電流波形恒流斬波驅(qū)動的優(yōu)點為：(1)各相斬波頻率相同，有效地抑制了因各相斬波頻率不同而產(chǎn)生的噪聲。(2)斬波頻率高，消除了音頻噪聲，電機運行時安靜無污染。(3)高頻運行時電流平滑，高頻性能好。(4)斬波頻率和脈寬可調(diào)，容易調(diào)整最佳運動狀態(tài)。恒流斬波驅(qū)動也有許多缺點，如低速運行時，由于繞組電流沖擊大，使低頻產(chǎn)生振蕩，運行不平穩(wěn)，噪聲大，定位精度沒有提高等。但恒流斬波驅(qū)動極大地改善了電流波形，采用能量反饋，提高了電源效率，改善了矩頻特性，故目前國內(nèi)各廠家生產(chǎn)和使用的改造型步進電機數(shù)控系統(tǒng)的驅(qū)動大部分是這種類型。4.H橋雙極性驅(qū)動因為混合式步進電機要求電機勵磁組有時通正向電流，有時通反向電流，所以需要雙極性供電。在步進電機發(fā)展初期，由于受到電子技術(shù)發(fā)展的限制，為了簡化驅(qū)動電路，而將電機繞組采取雙線并繞，每一相繞組分成正向通電和反向通電的兩個繞組，因此混合式步進電機就可采用單極性驅(qū)動電路而達到正、反向勵磁的目的。由于繞組在同一個時間只有一半通電，因此繞組的電感小，有利于電機的高速性能。但混合式步進電機每次只使用了繞組的一半，中低速運行時的轉(zhuǎn)矩不如整個繞組勵磁的電機。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在很多的混合式步進電機都采用雙極性驅(qū)動電源。雙極性驅(qū)動的優(yōu)點除效率高以外，更重要的是可以得到最佳的中低頻特性，使力矩保持恒定；同時，由于驅(qū)動器集成化，因此控制也易于實現(xiàn)。H橋雙極性驅(qū)動電路的原理圖如圖11-42所示。當開關(guān)管V1、V4導通，V2、V3截止時，電流經(jīng)V1、電機繞組和V4到地；當V1、V4截止，V2、V3導通時，電流經(jīng)V3、電機繞組L和V2到地，電流方向相反。VD1、VD2、VD3、VD4二極管組成續(xù)流回路?？梢婋姍C每一相繞組需4只開關(guān)管驅(qū)動，驅(qū)動器成本比較高。電機的相數(shù)增多時，H橋式電路需要功率管數(shù)多的缺點較為突出，例如五相電機就需要20只功率管。圖11-42H橋雙極性驅(qū)動電路的原理圖除了上述常用的驅(qū)動電路外，還有一些其他的步進電動機驅(qū)動方式，如帶有多次電流檢測的高低壓驅(qū)動、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動等。目前，步進電機的控制和驅(qū)動的一個重要發(fā)展方向是大量采用專用芯片，其結(jié)果是大大縮小了驅(qū)動器的體積，明顯提高了整機的性能。國外許多廠商相繼推出了多種步進電機控制與驅(qū)動芯片和多種不同功率等級的功率模塊，僅由幾個專用芯片和一個功率模塊便可構(gòu)成一個功率齊全、性能優(yōu)異的步進電機驅(qū)動器。 11.9步進電動機的細分控制11.9.1細分控制的特點步距角是步進電機的一個重要指標。生產(chǎn)廠家為了滿足用戶對步距角的不同要求，往往生產(chǎn)不同相數(shù)或不同定/轉(zhuǎn)子齒數(shù)的步進電機，造成步進電機既有相數(shù)的不同又有齒數(shù)的不同，使步進電機和驅(qū)動器規(guī)格和品種繁多。前一節(jié)分析的幾種步進電動機常用的驅(qū)動方式都有一個共同的不足，就是不能利用一臺步進電機實現(xiàn)多種步距角控制，步距角的大小只有有限的幾種，且由電機結(jié)構(gòu)所確定。而生產(chǎn)實踐中往往需要較高的分辨率和開環(huán)控制精度，這就要求采用特殊的驅(qū)動策略來提高步進電機的運行性能，目前較常用且比較成熟的方法是細分控制，又稱微步距（Microstep）控制。所謂細分控制，就是把步進電機原來由結(jié)構(gòu)所決定的一步再均勻地細分成許多小步，使步距角進一步減小，電機的步進運動近似地變?yōu)閯蛩龠\動，并能使它在任何位置停步。隨著步距角的微小化，電機運轉(zhuǎn)非常平滑，可以消除在低頻段運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動、噪音等現(xiàn)象。為了實現(xiàn)細分控制，步進電機繞組需用階梯波電流供電。其實質(zhì)是在步進電機各相繞組的電流切換時，將原來的繞組電流直接通、斷的方式，代之以只切換繞組電流的一部分，使對應切換相繞組中的電流階梯地上升到額定值或下降到零，從而產(chǎn)生勻速旋轉(zhuǎn)的合成磁極（即新的穩(wěn)定平衡點），使轉(zhuǎn)子對應的每步運動只為原來的一微小部分，達到細分的目的。11.9.2細分控制的基本原理步進電動機最初的細分方法是一種按等電流變化控制的粗略細分方法，這種方法細分后往往步距角很不均勻。提高步進電動機的穩(wěn)定度，減小震動和噪音的最佳細分方式是恒轉(zhuǎn)矩均勻細分（也稱為恒轉(zhuǎn)矩等步距角細分），使步進電動機恒轉(zhuǎn)矩運行，且步距角均勻。下面以兩相混合式步進電動機來說明步進電動機的細分驅(qū)動原理。圖11-43恒轉(zhuǎn)矩均勻細分控制下的磁場矢量圖一般情況下,電機內(nèi)部合成磁場矢量的幅值決定了電機旋轉(zhuǎn)力矩的大小，而相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。轉(zhuǎn)子平衡位置與合成磁場矢量方向保持一致，合成磁場矢量與繞組電流的合成矢量在理想情況下是線性關(guān)系。因此，要實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩均勻細分，必須合理地控制電機繞組中的電流，使各相繞組電流的合成矢量在空間作幅值恒定的旋轉(zhuǎn)運動，從而在步進電機內(nèi)部建立均勻的圓