在機械設(shè)計中，我們經(jīng)常用到步進電機。比如，用步進電機驅(qū)動同步帶軸，實現(xiàn)直線運動。再比如，用步進電機驅(qū)動滾珠絲杠軸，也可以把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。因為不需要反饋系統(tǒng)，所以步進電機的最大優(yōu)點是，低成本下可以獲得不錯的精度。其實，除了機器中的運動平臺，生活中也可以發(fā)現(xiàn)步進電機的存在。比如打印機，掃描儀，相機，ATM機，3D打印機等等。

那么，步進電機的原理是什么？

用一句話來說就是：給定子中的一組或多組線圈輪流通電，線圈中的電流產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子為了尋找新的平衡位置，自動調(diào)整它的位置，對其磁場，從而實現(xiàn)運動。

你可能會說，所有電機都是這個原理，哈，沒錯，那么關(guān)于具體細節(jié)，我們后面慢慢用圖來說。

其實此前，我對步進電機的原理了解得也不是很多，不過最近好像對各類電機有點上癮，所以特地多了解了一些，畢竟，我們時時刻刻都會和電機打交道。

了解了之后，這不趁今天周末，我就來分享一下。

但是因為我不是做電機的，所以若有不妥，或者不完善之處，還希望業(yè)內(nèi)人士能夠在留言區(qū)指出，補充。

今天的主要內(nèi)容包括：步進電機的種類，構(gòu)造，原理，步進電機的滿步半步微步控制方法，步進電機的速度扭矩特性，以及步進電機的優(yōu)缺點等。

 
1.步進電機的類型

和其他類型的電機一樣，步進電機也是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。

在步進電機中，定子主要負責(zé)產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子負責(zé)跟隨磁場。

定子的主要特征包括相數(shù)，磁對數(shù)，以及線圈配置。

相數(shù)是獨立線圈的數(shù)目，而磁對數(shù)表示每一相會產(chǎn)生多少對磁場。

2相步進電機是最常使用的，而3相，5相不常用。

左圖是2相步進電機，右圖是3相步進電機定子示意圖

左圖是2相單磁對數(shù)定子，右圖是2相偶磁對數(shù)定子，字母N和S表示當(dāng)A+和A-通電時，定子產(chǎn)生的磁場。

因為步進電機的構(gòu)造會影響步距，速度，扭矩，以及控制方式。
 

所以，接下來我先說說幾種不同步進電機的構(gòu)造。

它們的區(qū)別主要在于轉(zhuǎn)子是怎么做的。

（1）永磁式轉(zhuǎn)子（Permanent Magnet＝PM）

第一種，永磁式轉(zhuǎn)子，這種是最簡單，也是最便宜的。

它的結(jié)構(gòu)如下圖，中間的轉(zhuǎn)子是用永磁鐵做成。

當(dāng)定子線圈通電產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子磁鐵自動對齊磁場，跟隨旋轉(zhuǎn)。

永磁式轉(zhuǎn)子步進電機

線圈通電，中間轉(zhuǎn)子自動對齊線圈產(chǎn)生的磁場（圖片來自Microchip）

線圈通電，中間轉(zhuǎn)子自動對齊線圈產(chǎn)生的磁場

這種結(jié)構(gòu)，因為是用磁鐵做轉(zhuǎn)子，磁鐵磁通量大，進而扭矩大，所以保證了較好的輸出扭矩和制動扭矩。

所謂制動扭矩（Detent Torque），就是說，無論線圈是否通電，電機都會阻止旋轉(zhuǎn)，這是因為永磁鐵和定子之間的相互作用，會產(chǎn)生一定的扭矩，外力必須克服這個扭矩，電機才能動起來。

在電機生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品目錄中，有的也寫為齒槽轉(zhuǎn)矩（Cogging Torque），或者殘余扭矩（Residual Torque）。

當(dāng)然，有優(yōu)勢也就有劣勢。

這種結(jié)構(gòu)的不足之處在于，它的轉(zhuǎn)速和步距（分辨率）不高，比如一步轉(zhuǎn)動7.5°-15°，當(dāng)然好處是體積可以做得很小，比如Φ20mm以下。

（2）可變磁阻式步進電機（Variable Reluctance＝VR）



可變磁阻式步進電機結(jié)構(gòu)

這種電機，轉(zhuǎn)子是用軟磁材料做成，轉(zhuǎn)子多齒，不同的齒形分布，可以產(chǎn)生不同的分辨率，線圈通電吸引轉(zhuǎn)子，引發(fā)轉(zhuǎn)動。

這種結(jié)構(gòu)的好處是，可以實現(xiàn)高速及高分辨率，而且沒有制動扭矩，但是扭矩比永磁式小，不適用于小電機。

因為沒有永磁鐵，所以可以在有強磁場的環(huán)境中，使用這種電機。

（3）混合型（The Hybrid Design＝HB）

混合型，看名字也大概知曉其含義，就是永磁式和可變磁阻式的混合。

這種電機的典型結(jié)構(gòu)如下圖。

永磁和可變磁阻混合型步進電機

 

混合型步進電機結(jié)構(gòu)

混合型步進電機的運動原理

轉(zhuǎn)子帶兩個齒冠，齒冠在軸向被磁化，一個齒冠是北極，一個是南極。

這種配置，使得混合型步進電機既有永磁式的優(yōu)點，又有可變磁阻式的優(yōu)點，特別是擁有高分辨率，高速，高扭矩。

混合型步進電機，通常每圈有200步，也就是步距為360/200=1.8°，這種類型的電機受限于制造，目前最小只能做到Φ19mm。

當(dāng)然，好特性需要更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和控制，所以價格也更貴。

（4）單極步進電機和雙極步進電機

按照連接方式的不同，步進電機又可以分為單極步進電機（Unipolar Stepper Motor），和雙極步進電機（Bipolar Stepper Motor）。

單極和雙極步進電機的引線方法

單極和雙極步進電機的引線方法


單極步進電機驅(qū)動電路

在單極步進電機中，一根引線連接到線圈的中心點，這樣連線的好處是，可以用相對簡單的電路，來控制電流的方向。

如上圖所示，中央引線Am連接到輸入電壓Vin中，如果開關(guān)1處于激活狀態(tài)，則電流從Am流到A+。

如果開關(guān)2處于激活狀態(tài)，則電流會從AM流到A-，從而在相反的方向上產(chǎn)生磁場。

這種方法的好處是，可以簡化驅(qū)動電路，因為僅需要兩個半導(dǎo)體開關(guān)，但缺點是一次僅使用電機線圈的一半，這意味著，如果在線圈中流過相同的電流，磁場強度將會減半，另外，由于必須連接更多的引線，所以這種電機更難以構(gòu)造。

雙極步進電機驅(qū)動電路

在雙極步進電機中，每個線圈只有兩個引線，要控制方向，必須使用H橋電路。

如上圖所示，如果開關(guān)1和4處于激活狀態(tài)，則電流從A+流向A-，而如果開關(guān)2和3處于激活狀態(tài)，則電流從A-流向A+，在相反的方向上產(chǎn)生磁場。

這種連線方案，缺點是需要更復(fù)雜的驅(qū)動電路，但優(yōu)點是可以實現(xiàn)電機最大扭矩。和單極步進電機相比，此種連線可以提高40%的扭矩，也就是單極步進電機的√2倍。