一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而步進(jìn)電動(dòng)卻是一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)的，故叫步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。每輸入一個(gè)沖信號(hào)，該電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度（有的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以直接輸出線(xiàn)位移，稱(chēng)為直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)）。因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種把脈沖變?yōu)榻嵌任灰疲ɑ蛑本€(xiàn)位移）的執(zhí)行元件。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子為多極分布，定子上嵌有多相星形連接的控制繞組，由專(zhuān)門(mén)電源輸入電脈沖信號(hào)，每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就前進(jìn)一步。由于輸入的是脈沖信號(hào)，輸出的角位移是斷續(xù)的，所以又稱(chēng)為脈沖電動(dòng)機(jī)。
隨著數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用將逐漸擴(kuò)大。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)很多，按結(jié)構(gòu)可分為反應(yīng)式和激勵(lì)式兩種；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。
圖1 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖
圖1是反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，它的定子具有均勻分布的六個(gè)磁極，磁極上繞有繞組。兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一組，聯(lián)法如圖所示。
下面介紹反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單三拍、六拍及雙三拍通電方式的基本原理。
一、單三拍通電方式的基本原理
設(shè)a相首先通電（b、c兩相不通電），產(chǎn)生a-a′軸線(xiàn)方向的磁通，并通過(guò)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。這時(shí)a、a′極就成為電磁鐵的n、s極。在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子總是力圖轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，也就是要轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子的齒對(duì)齊a、a′極的位置（圖2a）；接著b相通電（a、c兩相不通電），轉(zhuǎn)了便順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)30°，它的齒和c、c′極對(duì)齊（圖2c）。不難理解，當(dāng)脈沖信號(hào)一個(gè)一個(gè)發(fā)來(lái)時(shí)，如果按a→c→b→a→…的順序通電，則電機(jī)轉(zhuǎn)子便逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。這種通電方式稱(chēng)為單三拍方式。
圖2 單三拍通電方式時(shí)轉(zhuǎn)子的位置
二、六拍通電方式的基本原理
設(shè)a相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子a、a′對(duì)齊（圖3a）。然后在a相繼續(xù)通電的情況下接通b相。這時(shí)定子b、b′極對(duì)轉(zhuǎn)子齒2、4產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，但是a、a′極繼續(xù)拉住齒1、3，因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個(gè)磁拉力平衡為止。這時(shí)轉(zhuǎn)子的位置如圖3b所示，即轉(zhuǎn)子從圖(a)位置順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)了15°。接著a相斷電，b相繼續(xù)通電。這時(shí)轉(zhuǎn)子齒2、4和定子b、b′極對(duì)齊（圖c），轉(zhuǎn)子從圖(b)的位置又轉(zhuǎn)過(guò)了15°。其位置如圖3d所示。這樣，如果按a→a、b→b→b、c→c→c、a→a…的順序輪流通電，則轉(zhuǎn)子便順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng)，步距角15°。電流換接六次，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)了一個(gè)齒距角。如果按a→a、c→c→c、b→b→b、a→a…的順序通電，則電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。這種通電方式稱(chēng)為六拍方式。
a.a相通電 b.a、b相通電 c.b相通電 d.b、c相通電
圖3 六拍通電時(shí)轉(zhuǎn)子位置
三、雙三拍通電方式的基本原理
如果每次都是兩相通電，即按a、b→b、c→c、a→a、b→…的順序通電，則稱(chēng)為雙三拍方式，從圖3b，和圖3d可見(jiàn)，步距角也是30°。因此，采用單三拍和雙三拍方式時(shí)轉(zhuǎn)子走三步前進(jìn)了一個(gè)齒距角，每走一步前進(jìn)了三分之一齒距角；采用六拍方式時(shí)，轉(zhuǎn)子走六步前進(jìn)了一個(gè)齒距角，每走一步前進(jìn)了六分之一齒距角。因此步距角θ可用下式計(jì)算：
θ＝360°/zr×m
式中zr是轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m是運(yùn)行拍數(shù)。
一般步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最常見(jiàn)的步距角是3°或1．5°。由上式可知，轉(zhuǎn)子上不只4個(gè)齒（齒距角90°），而有40個(gè)齒（齒距角為9°）。為了使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)齊，兩者的齒寬和齒距必須相等。因此，定子上除了6個(gè)極以外，在每個(gè)極面上還有5個(gè)和轉(zhuǎn)子齒一樣的小齒。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
圖4 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖
由上面介紹可知，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、精確度高、起動(dòng)靈敏、停車(chē)準(zhǔn)確等性能。此外，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于電脈沖頻率，并與頻率同步。
四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需配置一個(gè)專(zhuān)用的電源供電，電源的作用是讓電動(dòng)機(jī)的控制繞組按照特定的順序通電，即受輸入的電脈沖控制而動(dòng)作，這個(gè)專(zhuān)用電源稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)電源。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電源是一個(gè)互相聯(lián)系的整體，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能是由電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電源兩者配合所形成的綜合效果。
1、對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的基本要求
（1）驅(qū)動(dòng)電源的相數(shù)、通電方式和電壓、電流都工滿(mǎn)足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需要；
（2）要滿(mǎn)足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率的要求；
（3）能最大限度地抑制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩；
（4）工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)；
（5）成本低、效率高、安裝和維護(hù)方便。
2、驅(qū)動(dòng)電源的組成
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源基本上由脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和脈沖放大器（也稱(chēng)功率放大器）三部分組成，如圖5所示。
圖5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的方框圖
（1）脈沖發(fā)生器
脈沖發(fā)生器是一個(gè)脈沖頻率由幾赫到幾十千赫可連續(xù)變化的脈沖信號(hào)發(fā)生器。脈沖發(fā)生器可以采用多種線(xiàn)路，最常見(jiàn)的有多諧振蕩器和單結(jié)晶體管構(gòu)成的張弛振蕩器兩種，它們都是通過(guò)調(diào)節(jié)電阻r和電容c的大小來(lái)改變電容器充放電的時(shí)間常數(shù)，以達(dá)到改變脈沖信號(hào)頻率的目的。圖6是兩種實(shí)用的多諧振蕩電路，它們分別由反相器和非門(mén)構(gòu)成，振蕩頻率由rc決定，改變r(jià)值即可改變脈沖頻率。
圖6 脈沖發(fā)生器實(shí)用電器
（2）脈沖分配器
脈沖分配器中由門(mén)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(hào)按一定的邏輯關(guān)系加在脈沖放大器上，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按確定的運(yùn)行方式工作。下面著重介紹ch250環(huán)形脈沖分配器。
ch250環(huán)形脈沖分配器是三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的理想脈沖分配器，通過(guò)其控制端的不同接法可以組成三相雙三拍和三相六拍的不同工作方式，如圖7、圖8所示。
圖7 ch250三相雙三拍接法
圖8 ch250三相六拍接法
j3r、j3l兩端子是三相雙三拍的控制端，j6r、j6l是三相六拍的控制端，三相雙三拍工作時(shí)，若j3r＝“1”，而j3l＝“0”，則電機(jī)正轉(zhuǎn)；若j3r＝“0”，j3l＝“1”，則電機(jī)反轉(zhuǎn)；三相六拍供電時(shí)，若j6r＝“1”，j6l＝“0”，則電機(jī)正轉(zhuǎn)；若j6r＝“0”，j6l＝“1”，電機(jī)反轉(zhuǎn)。r2是雙三拍的復(fù)位端，r1是六拍的復(fù)位端，使用時(shí)，首先將其對(duì)應(yīng)復(fù)位端接入高電平，使其進(jìn)入工作狀態(tài)，然后換接到工作位置。cl端是時(shí)鐘脈沖輸入端，en是時(shí)鐘脈沖允許端，用以控制時(shí)鐘脈沖的允許與否。當(dāng)脈沖cp由cl端輸入，只有en端為高電平時(shí)，時(shí)鐘脈沖的上升沿才起作用。ch250也允許以en端作脈沖cp的輸入端，此時(shí)，只有cl為低電平時(shí)，時(shí)鐘脈沖的下降沿才起作用。a0、b0、c0為環(huán)形分配器的三個(gè)輸出端，經(jīng)過(guò)脈沖放大器（功率放大器）后分別接到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的三相線(xiàn)上。
ch250環(huán)形脈沖分配器的功能關(guān)系如表1所列。
表2－1 ch250功能表
工作方式 cl en j3r j3l j3r j3l 六拍 正轉(zhuǎn)
反轉(zhuǎn) 0
0 0
0 0
0 1
0 0
1 雙三拍 正轉(zhuǎn)
反轉(zhuǎn) 0
0 1
0 0
1 0
0 0
0 六拍 正轉(zhuǎn)
反轉(zhuǎn) 1
1 0
0 0
0 1
0 0
1 雙三拍 正轉(zhuǎn)
反轉(zhuǎn) 1
1 1
0 0
1 0
0 0
0
（3）脈沖放大器（功率放大器）
由于脈沖分配器輸出端a0、b0、c0的輸出電流很小，如ch250脈沖分配器的輸出電流大約為200-400μa，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流較大，如75bf001型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每相靜態(tài)電流為3a，為了滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)要求，脈沖分配器輸出的脈沖需經(jīng)脈沖放大器（即功率放大器）后才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。圖9是一個(gè)實(shí)用的脈沖放大電路，圖中使用三級(jí)晶體管放大，第一級(jí)用3dg6小功率管，第二級(jí)用3dk4中功率管，第三級(jí)用3dd15大功率管，r6為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)限流電阻，隨所配電機(jī)不同而異。
圖9 脈沖放大器實(shí)用電路
圖10 高低壓切換驅(qū)動(dòng)電源的原理圖
圖9所示電路是單電壓型驅(qū)動(dòng)電源，它的特點(diǎn)是：線(xiàn)路簡(jiǎn)單，電阻r6與控制繞組串聯(lián)后，可以減小回路的時(shí)間常數(shù)；但是由于r6上要消耗功率，使電源的效率降低，用這種電源供電的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)行頻率都不會(huì)太高。為了提高電源效率及工作頻率，可采用高、低壓切換型電源，其原理如圖10所示。高壓供電是用來(lái)加速電流的增長(zhǎng)速度，而低壓是用來(lái)維持穩(wěn)定的電流值。低壓電源中串聯(lián)一個(gè)數(shù)值較小的電阻，其目的是為了調(diào)節(jié)控制繞組的電流，使各相電流平衡。