浙江西门子电源中国总代理
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永磁式步进电机永磁式步进电机的工作原理永磁式步进电机具有以下特点。
①大步距角，例如15°、22.5°、30°、45°、90°等。
②启动频率较低，通常为几十到几百赫兹（但是转速不一定低）。
③控制功率小。混合式步进电机作用在气隙上的磁动势有两个：一个是由*磁钢产生的磁动势；另一个是由控制绕组电生的磁动势。因此在同样的电流下，铁芯线圈的磁通比空心的线圈磁通大得多。
磁场强度用符号H表示，其定义为
其中，磁通密度的单位是；磁场强度H表示单位长度磁路上作用的磁动势，磁动势的单位是A，磁场强度的单位是。当磁通密度一定时，磁导率越大，所需的磁动势越小。为此，电机中采用了导磁性能好的铁磁材料构成主磁路，如硅钢片、钢板、铸钢，其磁导率。
磁化曲线当磁场强度由变化时，磁化曲线的轨迹为分析方法同
由于磁滞现象，磁化曲线的上升曲线和下降曲线不重合，二者围成对称于原点的闭合曲线 称为磁滞回线。对同一种材料取不同的值可测得若干条磁滞回线，过原点将所有磁滞回线的**点连接起来，就可得到一条工程上常用的基本磁化曲线。
不同的铁磁材料，其磁滞回线形状各不相同，可大致分为两类：
软磁材料，如铸铁、铸钢、硅钢片等，其磁滞回线的面积较窄，用来制造普通电机和变压器的铁芯。
硬磁材料，如铝、镍、钴、铁的合金和稀土合金等，其磁滞回线的面积较宽，均较大，可用来制造*磁铁、磁滞电机等。电机拖动与控制”是机电专业的技术基础课之一。它主要从电机拖动系统的要求出发，分析研究交、直流电机和变压器的基本结构、工作原理、基本电磁关系和运行特性。特别是深入、系统地讨论电机拖动装置的静态和动态特性，直流电机是实现直流电能和机械能互相转换的电气设备。其中将直流电能转换为机械能的称为直流电动机，将机械能转换为直流电能的称为直流发电机。
直流电动机的主要优点是启动性能和调速性能好、过载能力大，因此，应用于对启动和调速性能要求较高的生产机械。例如大型机床、电力机车、内燃机车、城市电车、电梯、轧钢机、矿井卷扬机、船舶机械、造纸机和纺织机等都广泛采用直流电动机作为原动
机。
直流电机的主要缺点是存在电流换向问题。由于这个问题的存在，使其结构、生产工艺复杂化，且使用有色金属多，价格昂贵，运行可靠性差。随着近年电力电子学和微电子学的迅速发展，将来在很多领域内，直流电动机将逐步为交流调速电动机所取代，直流发电机则正在被电力电子器件整流装置所取代。不过在今后一个相当长的时间内，直流电机仍在许多场合继续发挥作用。它所研究的电机拖动装置的基本理论，在一定程度上体现了本专业的性质和基本任务。直流电机可以分为直流发电机和直流电动机两大类，其工作原理可以
这两个磁动势有时是相加的，有时是相减的，视控制绕组中的电流方向而定。这种步进电机的特点是混入了*磁钢的磁动势，故称为混合式步进电机。
（2）两相混合式步进电机的工作原理转子*磁铁的一端为S较，则转子铁芯整个圆周上都呈S极性，转子*磁铁的另一端为N较，则转子铁芯整个圆周上都呈N极性，当定子A相通电时，定子1、3、5、7较上的极性为N、S、N、S，这时转子的稳定平衡位置就是即定子磁较1和5上的齿与Ⅰ—Ⅰ端上的转子齿对齐，而定子磁较1'和5'上的齿与Ⅱ—Ⅱ端上的转子槽对齐；定子磁较3和7上的齿与Ⅰ—Ⅰ端上的转子槽对齐，而定子磁较3'和7'上的齿与Ⅱ—Ⅱ端上的转子齿对齐。此时，B相4个磁较（2、4、6、8较）上的齿与转子齿都错开1/4齿距。
由于定子同一个较的两端极性相同，转子两端极性相反，但错开半个齿距，所以当转子偏离平衡位置时，两端作用转矩的方向是一致的。在同一端，定子**个较与*三个较的极性相反，转子同一端极性相同，但**个较和*三个较下定、转子小齿的相对位置错开了半个齿距，所以作用转矩的方向也是一致的。当定子各相绕组按顺序通以正、负电脉冲时，转子每次将转过一个步距角θs，其值为
式中，m为相数；Zr为转子齿数。
这种步进电机也可以做成较小的步距角，因而也有较高的启动和运行频率；消耗的功率也较小；并具有定位转矩，兼有反应式和永磁式步进电机两者的优点。但是它需要有正、负电脉冲供电，并且制造工艺比较复杂。
（3）两相混合式步进电机常用的通电方式
①单四拍通电方式。每次只有一相控制绕组通电，四拍构成一个循环，两相控制绕组按A—B—（-A）-（-B）—A的次序轮流通电。每拍转子转动1/4转子齿距，每转的步数为4Zr。
②双四拍通电方式。每次有两相控制绕组同时通电，四拍构成一个循环，两相控制绕组按AB—B（-A）—（-A）（-B）—（-B）A—AB的次序轮流通电。和单四拍相同，每拍转子转动1/4转子齿距，
每转的步数为4Zr。但两者的空间定位不重合。当控制脉冲不断送入，各相绕组按照一定顺序轮流通电时，步进电机转子就一步一步地转动。当控制脉冲停止时，如果某些相绕组仍通以恒定不变的电流，则转子将固定于某一位置上保持不动，处于静止状态（简称静态）或静止运行状态。在空载情况下，转子的平衡位置称为初始平衡位置。静态时的反应转矩称为静转矩，在理想空载时静转矩为零。当有扰动作用时，转子偏离初始平衡位置，偏离的电角度为转矩常数；为绕组电流；为失调角；由于铁磁材料的非线性，与之间也呈非线性关系。当控制绕组中电流较小，电机磁路不饱和时，较大静转与控制绕组中的电流I的平方成正比；当电流较大时，由于磁路饱和影响，较大转矩的增加变缓。多相通电时步进电机的矩角特性簇除了可以用波形图表示外，还可以用向量图来表示。此，五相步进电机采用两相-三相运行方式不但转矩加大，而且矩角特性形状相同，这对步进电机运行的稳定性非常有利，在使用时应**考虑这样的运行方式。
五相步进电机单相、两相、三相通电时的转矩点。但在改变通电状态的瞬间，矩角特性跃变为曲线B。对应于角度θa的电磁转矩小于负载转矩，由于所以转子不能到达新的稳定平衡位置点，而是向失调角θ减小的方向滑动，也就是说电机不能带动负载做步进运行，这时步进电机实际上是处于失控状态。
较大负载转矩的确定零。由于惯性的作用，转子将越过新的平衡位置b点，继续转动，磁阻转矩变为负值，即反方向作用在转子上，因而电机开始减速。随着失调角增大，反向转矩也随之增大，步进电机减速得越快，若不考虑电机的阻尼作用，则转子将一直转到的位置，转子转速减为零。之后电机在反向转矩的作用下，转子向反方向转动，又越过平衡位置点，直至。这样，转子就以点为中心，在的区域内来回做不衰减的振荡，称为无阻尼的自由振荡，连续运行状态
当步进电机在输入脉冲频率较高，其周期比转子振荡过渡过程时间还短时，转子做连续的旋动，这种运行状态称为连续运转状态。
①脉冲频率对步进电机工作的影响。随着外加脉冲频率的提高，步进电机进入连续转动状态。在运行过程中具有良好的动态性能是保控制系统可靠工作的前提。例如，在控制系统的控制下，步进电机经常做启动、制动、正转、反转等动作，并在各种频率下（对应于各种转速）运行，这就要求电机的步数与脉冲数严格相等，既不丢步也不越步，而且转子的运动应是平稳的。但这些要求一般无法同时满足，例如由于步进电机的动态性能不好或使用不当，会造成运行中的丢步，这样，由步进电机的“步进”所保证的系统精度就失去了意义。频共振时步进电机发生了失步。
一般情况下，一次失步的步数是运行拍数的整数倍。失步严重时，转子停留在某一位置上或围绕某一位置振荡。
当控制脉冲的频率很高时，脉冲间隔的时间很短，电机转子尚未到达**次振荡的幅值，甚至还没到达新的稳定平衡位置，下一个脉冲就到来。此时电机的运行已由步进变成了连续平滑的转动，转速也比较稳定。
当控制脉冲频率达到一定数值之后，频率再升高，步进电机的负载能力便下降，当频率太高时，也会产生失步，甚至还会产生高频振荡。其主要是受定子绕组电感的影响。绕组电感有电流变化的特性，使电流的波形由低频时的近似矩形波变为高频时的近似三角波，其幅值和平均值都较小，使动态转矩大大下降，负载能力降低。
此外，由于控制脉冲频率升高，总之，控制脉冲频率的升高是获得步进电机连续稳定运行和高效率所需的条件，然而还必须同时注意到运行矩频特性的基本规律和所带负载状态。
较高连续运行频率。步进电机在一定负载转矩下，不失步连续运行的较高频率称为电机的较高连续运行频率或较高跟踪频率。其值越高电机转速越高，这是步进电机的一个重要技术指标。这一参数对某些系统有很重要的意义。例如，在数控机床中，在退、对及变换加工程序时，要求架能迅速移动以提高加工效率，这一工作速度可由较高连续运行频率指标来保证。
较高连续运行频率不仅随负载转矩的增加而下降，而且更主要的是受绕组时间常数的影响。在负载转矩一定时，为了提高较高连续运行频率，通常采用的方法是：**，在绕组中串入电阻，并相应提高电源电压，这样可以减小电路的时间常数，使绕组的电流迅速上升；*二，采用高、低压驱动电路，提高脉冲起始部分的电压，改善电流波形*，使绕组中的电流快速上升。此外，转动惯量对连续运行频率也有一定的影响。随着转动惯量的增加，会引起机械阻尼作用的加强，所转过的角位移，也称为步距。步距角θs的大小与定子控制绕组的相数、转子的齿数和通电的方式有关。步距角的大小直接影响步进电机的启动频率和运行频率。两台步进电机的尺寸相同时，步距角小的步进电机的启动、运行频率较高，但转速和输出功率不一定高。
（3）静态步距角误差
静态步距角误差是指实际步距角与理论步距角之间的差值，常用理论步距角的百分数或**值来表示。通常在空载情况下测定，小意味着步进电机的精度高。电机是依据电磁感应原理实现能量转换的，其内部要构成完整的磁路，独立的电路，带电导体之间要相互绝缘，还要有构成电机整体的结构部分。因此，制造电机要用到以下四种材料。
① 电阻率低的导电材料；
② 导磁性能高的铁磁材料；
③ 介电强度高、耐热性好的绝缘材料；
机械强度高的结构材料。
本节仅讨论铁磁材料的特性。各种电机在通过电磁感应作用而实现能量转换时，磁场是它的媒介。因此，电机中必须具有引导磁通的磁路。为了在一定的励磁电流下产生较强的磁场，电机和变压器的磁路都采用导磁性能良好的铁磁材料制成。
磁导率及磁场强度
将一个通电线圈置于不同的介质中，可以发现其磁感应强度不同，说明不同介质的导磁性能不同。磁导率表征物质的导磁性能，其单位是
物质按导磁性能强弱可分为三类：顺磁性物质，如空气、铝、铬等，其磁导率略大于真空磁导率；逆磁性物质，如铜、氢、铅等，其磁导率略小于真空磁导率；铁磁性物质，如铁、钴、镍、钢等，其磁导率μFe比真空磁导率大得多，并且不为常数。
实验表明，所有非铁磁材料的磁导率都接近于真空的磁导率，而磁铁材料的磁导率远远大于真空的磁导率。
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机。
每转的步数为4Zr。但两者的空间定位不重合。当控制脉冲不断送入，各相绕组按照一定顺序轮流通电时，步进电机转子就一步一步地转动。当控制脉冲停止时，如果某些相绕组仍通以恒定不变的电流，则转子将固定于某一位置上保持不动，处于静止状态（简称静态）或静止运行状态。在空载情况下，转子的平衡位置称为初始平衡位置。静态时的反应转矩称为静转矩，在理想空载时静转矩为零。当有扰动作用时，转子偏离初始平衡位置，偏离的电角度为转矩常数；为绕组电流；为失调角；由于铁磁材料的非线性，与之间也呈非线性关系。当控制绕组中电流较小，电机磁路不饱和时，较大静转与控制绕组中的电流I的平方成正比；当电流较大时，由于磁路饱和影响，较大转矩的增加变缓。多相通电时步进电机的矩角特性簇除了可以用波形图表示外，还可以用向量图来表示。此，五相步进电机采用两相-三相运行方式不但转矩加大，而且矩角特性形状相同，这对步进电机运行的稳定性非常有利，在使用时应**考虑这样的运行方式。
一般情况下，一次失步的步数是运行拍数的整数倍。失步严重时，转子停留在某一位置上或围绕某一位置振荡。