圖文詳解教你步進電機特性、原理及驅動器設計

什麽(me) 是步進電機？

步進電機是將電脈衝(chong) 信號，轉變為(wei) 角位移或線位移的開環控製電機，又稱為(wei) 脈衝(chong) 電機。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置隻取決(jue) 於(yu) 脈衝(chong) 信號的頻率和脈衝(chong) 數，而不受負載變化的影響。當步進驅動器接收到一個(ge) 脈衝(chong) 信號時，它就可以驅動步進電機按設定的方向轉動一個(ge) 固定的角度，稱為(wei) “步距角”。

步進電機的旋轉是以固定的角度一步一步運行的，可以通過控製脈衝(chong) 個(ge) 數來控製角位移量，從(cong) 而達到準確定位的目的，同時可以通過控製脈衝(chong) 頻率，來控製電機轉動的速度和加速度，從(cong) 而達到調速的目的。步進電機多用於(yu) 數字式計算機的外部設備，以及打印機、繪圖機和磁盤等裝。

步進電機的特點

步進電機工作時的位置和速度信號不反饋給控製係統，如果電機工作時的位置和速度信號反饋給控製係統，那麽(me) 它就屬於(yu) 伺服電機。相對於(yu) 伺服電機，步進電機的控製相對簡單，但不適用於(yu) 精度要求較高的場合。

步進電機的優(you) 點和缺點都非常的突出，優(you) 點集中於(yu) 控製簡單、精度高，缺點是噪聲、震動和效率，它沒有累積誤差，結構簡單，使用維修方便，製造成本低。步進電機帶動負載慣量的能力大，適用於(yu) 中小型機床和速度精度要求不高的地方，缺點是效率較低、發熱大，有時會(hui) “失步”。優(you) 缺點如下所示。

優(you) 點：

1. 電機操作易於(yu) 通過脈衝(chong) 信號輸入到電機進行控製；

2. 不需要反饋電路以返回旋轉軸的位置和速度信息（開環控製）；

3. 由於(yu) 沒有接觸電刷而實現了更大的可靠性。

缺點：

1. 需要脈衝(chong) 信號輸出電路；

2. 當控製不適當的時候，可能會(hui) 出現同步丟(diu) 失；

3. 由於(yu) 在旋轉軸停止後仍然存在電流而產(chan) 生熱量。

步進電機的分類

在相同電流且相同轉矩輸出的條件下，單極型步進電機比雙極型步進電機多一倍的線圈，成本更高，控製電路的結構也不一樣，目前市場上流行的大多是雙極型步進電機。

步進電機在構造上通常主要按照轉子特點和定子繞組進行分類，下麵將詳細介紹這兩(liang) 種類型的分類。

按照轉子分類，有三種主要類型：反應式（VR型）、永磁式（PM型）、混合式（HB型）。

反應式

定子上有繞組，繞組由軟磁材料組成。其結構簡單、成本低、步距角小，可達1.2度，但動態性能差，效率低、發熱大，可靠性難以保證。

永磁式

永磁式步進電機的轉子用永磁材料製成，轉子的極數與(yu) 定子的極數相同。其特點是動態性能好、輸出力矩大，但這種電機度差，步距角大（一般為(wei) 7.5度或15度）。

混合式

混合式步進電機綜合了反應式和永磁式的優(you) 點，其定子上有很多相繞組，轉子上采用永磁材料，轉子和定子均有多個(ge) 小齒以提高步距精度。其特點是輸出力矩大、動態性能好、步距角小，但結構複雜、成本相對較高。

步進電機按照定子上繞組來分類，共有二相、三相和五相等係列。目前最受歡迎的是兩(liang) 相混合式步進電機，約占97%以上的市場份額，其原因是性價(jia) 比高，配上細分驅動器後效果良好。

該種電機的基本步距角為(wei) 1.8度/步，配上半步驅動器後，步距角減少為(wei) 0.9度，配上細分驅動器後。其步距角可細分達256倍（0.007度/微步）。由於(yu) 摩檫力和製造精度等原因，實際控製精度略低。同一步進電機可配不同細分的驅動器以改變精度的效果。

步進電機的工作原理

步進電機是通過脈衝(chong) 信號來進行控製，每輸入一個(ge) 脈衝(chong) 信號，步進電機前進一步。步進電機旋轉的步距角，是在電機結構的基礎上等比例控製產(chan) 生的，如果控製電路的細分控製不變，那麽(me) 步進旋轉的步距角在理論上是一個(ge) 固定的角度。在實際工作中，電機旋轉的步距角會(hui) 有微小的差別，主要是由於(yu) 電機結構上的固定有誤差產(chan) 生的，而且這種誤差不會(hui) 積累。

步進電機的總極數越大，加工精度的要求就會(hui) 越高。通常工業(ye) 用混合型步進電機的步距角是1.8度，就是200極。

步進電機的相電流及磁場，遵循安培右手螺旋定律，由電能產(chan) 生磁場能量，控製電機相電流，就能使電機定子的磁極方向發生反轉，二相磁場的變化相配合，進而產(chan) 生電機的旋轉。

如果電流方向發生變化，磁極的方向也會(hui) 發生變化，步進電機的電流流過定子產(chan) 生磁場的過程叫做勵磁。

通常所說的二相步進電機，電機轉子的旋轉，包含不同磁極的磁場相斥和相吸實現的。如上圖所示，A相產(chan) 生N極磁場吸引轉子的S極，B相產(chan) 生S極磁場吸引轉子的N極，使定子產(chan) 生旋轉的動力。如果改變A、B相定子線圈的電流方向，電機會(hui) 產(chan) 生另一步的旋轉。連續改變A、B相定子線圈的電流方向，電機會(hui) 產(chan) 生連續的旋轉。

如上圖所示，電機的運動是通過改變電流在電機中的流動來實現的，電子轉子排斥B相磁極的定子，吸引A相磁極的定子，這就產(chan) 生了另一個(ge) 步進操作。

執行另一個(ge) 步進操作，電機定子磁極反轉，轉子排斥B相磁極的定子，吸引A相磁極的定子，如上圖所示。

如上圖所示，定子線圈中的電流方向無論何時發生變化，磁極將會(hui) 反轉，轉子重複步進操作。東(dong) 芝步進電機驅動控製電路對電機的磁場勵磁的控製，是通過脈寬調製方式實現的，能夠實現電機高效、穩定的運行。

步進電機的操作模式

步進電機的基本操作模式稱為(wei) “勵磁模式”，能夠使步進電機工作在全步模式、半步模式和微步模式，其中微步模式能夠有效的降低步進電機相電流的噪聲，能夠改善步進電機固有的噪聲震動問題。下麵將介紹3種勵磁模式。

全步模式

所謂全步模式，就是依據電機固有結構設計固定的步距角工作，一個(ge) 電脈衝(chong) ，步進電機前進一個(ge) 步距角。這個(ge) 步距角使電機設計結構所決(jue) 定的，也可以理解為(wei) 電機以最大的步距角旋轉。

半步模式

半步模式是以電機固有的結構決(jue) 定的步距角的一半角度進行步進旋轉。如下圖所示，步進電機的總極數是4級，對應的步距角是90度，那麽(me) 半步模式下，步進電機每個(ge) 脈衝(chong) 旋轉45度。

微步模式

微步模式類似於(yu) 半步模式，步距角更小，就是1/4步、1/8步、1/16步，可以到很高的細分。對應的步進角度就是在整步步距角乘以微步係數。

步進電機的步距角越小，需要的加工精度會(hui) 越高，對應的微步時的步進角度的誤差會(hui) 越大。

電機控製驅動器

步進電機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專(zhuan) 用的步進電機驅動器，它有脈衝(chong) 發生控製單元、功率驅動單元、保護單元等組成。如下圖所示。

驅動單元與(yu) 步進電機直接耦合，也可以理解成步進電機微機控製器的功率接口。下麵將使用MCU和分離元器件的係統舉(ju) 例說明。MCU相當於(yu) 是控製電機的大腦，它向分立器件發送電機的步距角時間、轉動方向和重複次數等，而分立器件根據MCU發出的信號，將放大電壓和電流並將其發送至電機，從(cong) 而驅動電機轉動。