浅谈步进电机(Stepper Motor)原理-1
广泛应用于各个行业和技术领域。步进电机在打印机、照相机、汽车、自动取款机等许多日常设备中都能找到它的身影。1 什么是步进电机？步进电机在打 ... ...
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| 步进电机具有精确控制的能力，广泛应用于各个行业和技术领域。步进电机在打印机、照相机、汽车、自动取款机等许多日常设备中都能找到它的身影。 1 什么是步进电机？ 步进电机在打印机、照相机、汽车、自动取款机等许多日常生活中都能找到它的身影。从机器人到 3D 打印机和汽车子系统，步进电机的多功能性使其成为无数自动化控制系统中不可或缺的关键部件。步进电机是一种无刷同步电机，它将一个完整的旋转分为若干个步进。与无刷直流电机不同，步进电机以离散的步距角旋转。因此，步进电机的每转步数为 12、24、72、144、180 和 200，步进角分别为 30、15、5、2.5、2 和 1.8 度。步进电机主要特点是通过执行步进（即移动固定的度数）实现轴旋转。这一特性得益于步进电机的特殊结构，只需计算步数，就能知道轴的确切角度位置，无需传感器。 图1：步进电机 2 步进电机的工作原理 与所有电机一样，步进电机有一个固定部分（定子）和一个运动部分（转子）。定子上有接线线圈的齿，而转子则是永磁铁芯或可变磁阻铁芯。 图2：步进电机定子与转子 步进电机的基本工作原理如下：通过给定子的一个或多个相位通电，线圈中的电流会产生一个磁场，转子会与该磁场对齐。通过依次提供不同的相位，转子可以旋转一定的幅度，以达到所需的最终位置。下图显示了工作原理。开始时，线圈 A 通电，转子对准其产生的磁场。当线圈 B 通电时，转子顺时针旋转 60°，以对准新的磁场。当线圈 C 通电时，也会发生同样的情况。在图片中，定子齿的颜色表示定子绕组产生的磁场方向。  图3：步进电机工作步骤  图4：步进电机工作原理 3 步进电机的结构和类型 步进电机的性能（分辨率（或步长）、速度和扭矩）受结构细节的影响，而结构细节同时也会影响电机的控制方式。并非所有步进电机都具有相同的内部结构，因为转子和定子的配置各不相同。 1.1 转子 步进电机的转子基本上有三种类型： 永磁转子 转子为永磁体，与定子电路产生的磁场对齐。这种解决方案可确保良好的扭矩和制动扭矩。这意味着，无论线圈是否通电，电机都能抵抗位置变化，即使抵抗力不是很强。与其他类型相比，这种解决方案的缺点是速度和分辨率较低。下图显示了永磁步进电机的剖面图。 永磁步进电机的转子和定子磁极没有啮合。相反，转子具有与转子轴平行的南北两极。  图5：两相永磁步进电机剖面图 定子通电时会产生电磁极。磁转子沿着定子的磁场排列。然后依次给另一个定子通电，使转子移动并对准新的磁场。通过这种方式，定子按固定顺序通电，步进电机按固定角度旋转。  图6: 永磁步进电机工作原理图 永磁步进电机的分辨率可以通过增加转子的极数或定子相数来提高。  图7: 提高永磁步进电机分辨率的方法可变磁阻转子 转子由铁芯制成，具有特殊形状，可与磁场对齐。采用这种解决方案更容易达到更高的速度和分辨率，但其产生的扭矩通常较低，而且没有制动扭矩。 可变磁阻步进电机有一个带齿的非磁性软铁转子。当定子线圈通电时，转子移动，使定子与转子齿之间的间隙达到最小。  图8：两相可变磁阻步进电机基本图 转子齿的设计使其在与一个定子对齐时，会与下一个定子错位。现在，当下一个定子通电时，转子就会移动，使其齿与下一个定子对齐。这样，按固定顺序给定子通电就完成了步进电机的旋转。  图9：可变磁阻步进电机工作原理图 可变磁阻步进电机的分辨率可以通过增加转子的齿数和定子相数来提高。  图10：提高可变磁阻步进电机分辨率的方法混合转子 这种转子具有特殊的结构，是永磁和可变磁阻转子的混合体。转子有两个交替齿帽，轴向磁化。这种结构使电机同时具有永磁步进电机和变磁阻步进电机的优点，特别是高分辨率、高转速和高扭矩。更高的性能要求更复杂的结构，因此成本也更高。下图显示了该电机结构的简化示例。当线圈 A 通电时，N 磁帽的一个磁齿与定子的 S 磁齿对齐。高齿数允许电机实现小步距，最小可达 0.9°。 混合式步进电机是永磁和可变磁阻的结合。它有一个磁啮合转子，能更好地将磁通引导到气隙中的对应位置。  图11：两相混合式电机的构造 转子有两个磁杯。一个是N极，另一个是S极。转子磁杯的设计使南北磁极以不同的方式排列。  图12: 混合步进电机转子结构图  图13: 混合步进电机转子实物图 混合转子步进电机的旋转原理与永磁转子步进电机的原理相同。  图14: 混合步进电机工作原理图1.2 定子 定子是电机中负责产生磁场的部分，转子将与之对准。定子电路的主要特征包括相数、磁极对数以及绕组配置。相数是指独立线圈的数量，而磁极对数则表示每个相位占用的主要齿对数量。两相步进电机最常用，而三相和五相电机则不常用。 图15：两相定子绕组（左），三相定子绕组（右）  图16：两相单磁极对数定子（左），两相双磁极对数定子（右） 步进电机大多是两相电机。两相电机可以是单极电机，也可以是双极电机。 单极步进电机 在单极步进电机中，每相有两个绕组。一个磁极的两个绕组可能有一条共同的引线，即中心抽头。因此，单极电机有五根、六根或八根引线。如果两个极的公共绕组是分开的，则电机有六根引线。如果两极的中心抽头内部短接，则电机有五条引线。八引线单极电机一般为了便于串联和并联。单极电机简化了控制，无需在驱动电路中反向接通电流。这些电机也成为双绕组电机。  图17：不同引线的单极步进电机接线图双极步进电机 在双极步进电机中，每极只有一个绕组。电流方向需要通过驱动电路来改变，因此双极步进电机的驱动电路变得复杂。这些电机也称为单绕组电机。  图18：带引线输出的双极步进电机接线图  |
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