图1-23 反应式步进电动机结构

反应式步进电动机属于特种电动机范围，其工作原理与普通的异步和直流电动机的基本原理相似，但一般反应式步进电动机的功率很小，多用于控制系统。随着数字控制系统的发展，反应式步进电动机的应用也在逐步扩大。

1.反应式步进电动机结构

反应式步进电动机的基本结构如图1-23所示。它在电动机定子上有均匀分布的六个磁极，两个相对的磁极组成一组，形成A、B、C三对磁极，磁极上绕有线圈，分别称之为A相、B相和C相，而转子则是一个带齿的铁心。安装于定子中，由定子产生磁场而吸引转子转动。

2.反应式步进电动机工作原理

反应式步进电动机的工作原理是当定子线圈中通以直流电以后，就会产生磁场，如果A、B、C三相磁极的绕组依次通电，则A、B、C三对磁极就依次产生磁场吸引转子转动。

下面介绍反应式步进电动机在几种通电方式下转子的位置及其工作原理。

（1）单三拍通电方式的基本原理

单三拍通电方式时转子的位置如图1-24所示。其基本工作原理是设A相首先通电（B、C两相不通电），定子绕组产生A-A′轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合电路。这时A、A′极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，即转子的齿对齐A、A′极的位置，如图1-24a所示；然后，A相断电，B相通电（A、C两相不通电），转子便逆时针方向转动30°，转子的齿与B、B′极对齐，如图1-24b所示；C相通电（A、B两相不通电）转子的齿与C、C′极对齐，如图1-24c所示。这种通电顺序为A→C→B→A……，则电动机转子便逆时针方向转动，这种通电方式称为单三拍方式。

图1-24 单三拍通电方式的基本原理

（2）六拍通电方式的基本原理

六拍通电方式时转子位置如图1-25所示，当定子绕组通电时，转子的旋转及磁极通、断电的变化是设A相首先通电，转子齿与定子A、A′对齐，如图1-25a所示；然后在A相继续通电的情况下接通B相，这时定子B、B′极对转子齿产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但由于定子的A、A′极继续拉住转子齿，所以使转子转到两个磁拉力平衡为止，此时转子的位置如图1-25b所示；转子顺时针转过15°后，A相断电，B相继续通电，转子从图1-25b位置顺时针转过15°，此时转子齿与定子磁极B、B′对齐，如图1-25c所示；转子继续顺时针方向转动，其位置变化如图1-25d所示。

转子的旋转方向由定子磁极通电来决定。如果按定子磁极A→A′、C→C′、B→B′、A→A′……的顺序通电，则电动机逆时针方向转动，转子步距角与顺时针方向相同。这种通电方式称为六拍方式。

3.双三拍通电方式的基本原理

双三拍通电方式与单三拍通电方式的相同点是，采用单三拍和双三拍方式时，转子走三步前进了一个步距角，每走一步前进了1/3齿距角。所不同的是如果每次都是两相通电，即按A、B→B、C→C、A→A、B→……的顺序通电，则称为双三拍方式。

图1-25 六拍通电方式的基本原理

一般转子是以4个齿（齿距角90°）表示的，但实际上转子不只4个齿，而有40个齿（齿距角为9°），所以一般电动机的步距是3°或1.5°。而定子除了6个极以外，在每个极面上还有5个和转子一样的小齿。其结构如图1-26所示。

4.步进电动机的驱动电源

步进电动机要实现对定子绕组按照特定的顺序通电，必须配置一个专用的电源供电，这个专用供电电源称为驱动电源。步进电动机需与驱动电源相互配合才能实现其运行性能。

（1）对驱动电源的基本要求

由于步进电动机与驱动电源是一个相互联系的整体，因此，所配置的驱动电源应达到如下要求：

图1-26 双三拍通电方式的基本原理

1）驱动电源的相数、通电方式、电压、电流能与步进电动机相适应。(www.daowen.com)

2）驱动电源的频率能满足步进电动机的起动频率和运行频率的需要。

3）驱动电源工作可靠，抗干扰能力强。

4）驱动电源安装方便，能与电动机线路很好地配合。

（2）驱动电源的结构

由于步进电动机是将脉冲信号转换为角位移或线位移的开环控制元件，所以其驱动电源必须将电信号转换为脉冲信号，并经过放大处理，才能驱动步进电动机正常工作。

步进电动机的驱动电路由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器（也称功率放大器）组成，如图1-27所示。

图1-27 步进电动机驱动原理

1）脉冲发生器。脉冲发生器实际上是一个脉冲发生电路，按照其线路，有多谐振荡器和单晶体管构成的张弛振荡器多种形式，但不同线路的脉冲发生器都是通过调节电阻VR和电容C₁的大小来改变电容充放电的时间常数，以达到改变脉冲信号频率的目的。

如图1-28所示是两种常用的多谐振电路，它们分别由或非门和非门构成，通过改变VR的值可以使振荡频率由几赫兹至几十千赫兹连续变化，为步进电动机提供所需要的信号。

图1-28 两种常用的多谐振电路

2）脉冲分配器。脉冲分配器是一种由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路。其功能是根据指令把脉冲发生器产生的脉冲信号按一定的逻辑关系加到脉冲放大器上。由于步进电动机定子绕组的通电方式不一样，所以脉冲分配器与电动机控制的连接方法也就不一样。下面以CH250型环形脉冲分配器为例进行介绍。

CH250型环形脉冲分配器适用于三相步进电动机的情况，它有两对控制端子，可以分别组成三相双三拍和三相六拍的不同工作方式。三相双三拍的接法如图1-29所示，图中14、15脚为控制端，10脚为复位端。工作时，若14脚电平为高电平，而15脚电平为低电平，则电动机正转；若14脚电平为低电平，而15脚电平为高电平，则电动机反转。三相六拍的接法如图1-30所示，图中1、2脚为控制端，9脚为复位端，工作时，若1脚为高电平，2脚为低电平，则电动机正转；若1脚为低电平，2脚为高电平，则电动机反转。

图1-30 三相六拍的接法

CH250型环形脉冲分配器的7脚是时钟脉冲输入端；6脚是时钟脉冲允许端，用以控制时钟脉冲的允许与否；11、12、13脚为环形分配器的三个输出端。该脉冲分配器脉冲输入方式有两种：一种是由7脚输入，采用此输入方式时，只有当6脚为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用；另一种是由6脚输入，采用此输入方式时，只有当7脚为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。

CH250型环形脉冲分配器使用时，首先将其对应的复位端接入高电平，使其进入工作状态，然后接到工作位置。经分配输出的脉冲信号再经过脉冲放大器放大后，分别接到步进电动机的三相线上。

3）脉冲放大器。脉冲放大器（又称功率放大器），是一种由晶体管组成的放大电路。由于脉冲分配器输出端输出的电流很小，如CH250型脉冲分配器输出的电流只有300μA左右，而一般步进电动机每相静态电流在3A以上，所以不能满足驱动的需要。脉冲放大器的作用就是将脉冲分配器输出的脉冲放大，再去驱动步进电动机旋转。

4）驱动电路。不同相位的步进电动机需要采用不同的驱动电路来驱动。最常用的驱动架构有单极性和双极性两种。

单极性步进电动机驱动电路如图1-31所示。图中VT₁～VT₄为四只驱动晶体管，由这四只晶体管来驱动电动机的两个相位。

图1-31 单极性步进电动机驱动电路

图1-32 双极性步进电动机驱动电路

双极性步进电动机驱动电路如图1-32所示，它使用八只晶体管来驱动两组相位。八只晶体管分为上下两端设置。其中，下端四只晶体管由微控制器直接驱动；上端四只晶体管则需要驱动电路驱动。从使用晶体管的数量来看，双极性驱动电路是单极性驱动电路的两倍，但双极性驱动电路的晶体管只需承受电动机电压，所以它不像单极性驱动电路一样需要钳位电路。