在機(jī)械設(shè)計(jì)中，我們經(jīng)常用到步進(jìn)電機(jī)。比如，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶軸，實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。再比如，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠軸，也可以把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。因?yàn)椴恍枰答佅到y(tǒng)，所以步進(jìn)電機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是，低成本下可以獲得不錯(cuò)的精度。其實(shí)，除了機(jī)器中的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，生活中也可以發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的存在。比如打印機(jī)，掃描儀，相機(jī)，ATM機(jī)，3D打印機(jī)等等。

那么，步進(jìn)電機(jī)的原理是什么？

用一句話來(lái)說(shuō)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(chǎng)，轉(zhuǎn)子為了尋找新的平衡位置，自動(dòng)調(diào)整它的位置，對(duì)其磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

你可能會(huì)說(shuō)，所有電機(jī)都是這個(gè)原理，哈，沒(méi)錯(cuò)，那么關(guān)于具體細(xì)節(jié)，我們后面慢慢用圖來(lái)說(shuō)。

其實(shí)此前，我對(duì)步進(jìn)電機(jī)的原理了解得也不是很多，不過(guò)最近好像對(duì)各類(lèi)電機(jī)有點(diǎn)上癮，所以特地多了解了一些，畢竟，我們時(shí)時(shí)刻刻都會(huì)和電機(jī)打交道。

了解了之后，這不趁今天周末，我就來(lái)分享一下。

但是因?yàn)槲也皇亲鲭姍C(jī)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(bǔ)充。

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

 
1.步進(jìn)電機(jī)的類(lèi)型

和其他類(lèi)型的電機(jī)一樣，步進(jìn)電機(jī)也是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。

在步進(jìn)電機(jī)中，定子主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子負(fù)責(zé)跟隨磁場(chǎng)。

定子的主要特征包括相數(shù)，磁對(duì)數(shù)，以及線圈配置。

相數(shù)是獨(dú)立線圈的數(shù)目，而磁對(duì)數(shù)表示每一相會(huì)產(chǎn)生多少對(duì)磁場(chǎng)。

2相步進(jìn)電機(jī)是最常使用的，而3相，5相不常用。

左圖是2相步進(jìn)電機(jī)，右圖是3相步進(jìn)電機(jī)定子示意圖

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

因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的構(gòu)造會(huì)影響步距，速度，扭矩，以及控制方式。
 

所以，接下來(lái)我先說(shuō)說(shuō)幾種不同步進(jìn)電機(jī)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(jiǎn)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(chǎng)，轉(zhuǎn)子磁鐵自動(dòng)對(duì)齊磁場(chǎng)，跟隨旋轉(zhuǎn)。

永磁式轉(zhuǎn)子步進(jìn)電機(jī)

線圈通電，中間轉(zhuǎn)子自動(dòng)對(duì)齊線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)（圖片來(lái)自Microchip）

線圈通電，中間轉(zhuǎn)子自動(dòng)對(duì)齊線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)

這種結(jié)構(gòu)，因?yàn)槭怯么盆F做轉(zhuǎn)子，磁鐵磁通量大，進(jìn)而扭矩大，所以保證了較好的輸出扭矩和制動(dòng)扭矩。

所謂制動(dòng)扭矩（Detent Torque），就是說(shuō)，無(wú)論線圈是否通電，電機(jī)都會(huì)阻止旋轉(zhuǎn)，這是因?yàn)橛来盆F和定子之間的相互作用，會(huì)產(chǎn)生一定的扭矩，外力必須克服這個(gè)扭矩，電機(jī)才能動(dòng)起來(lái)。

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

當(dāng)然，有優(yōu)勢(shì)也就有劣勢(shì)。

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(dòng)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(jìn)電機(jī)（Variable Reluctance＝VR）



可變磁阻式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)

這種電機(jī)，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(dòng)。

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

因?yàn)闆](méi)有永磁鐵，所以可以在有強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境中，使用這種電機(jī)。

（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(jī)的典型結(jié)構(gòu)如下圖。

永磁和可變磁阻混合型步進(jìn)電機(jī)

 

混合型步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)

混合型步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)原理

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

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

混合型步進(jìn)電機(jī)，通常每圈有200步，也就是步距為360/200=1.8°，這種類(lèi)型的電機(jī)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?xún)r(jià)格也更貴。

（4）單極步進(jìn)電機(jī)和雙極步進(jìn)電機(jī)

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

單極和雙極步進(jìn)電機(jī)的引線方法

單極和雙極步進(jìn)電機(jī)的引線方法


單極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

在單極步進(jìn)電機(jī)中，一根引線連接到線圈的中心點(diǎn)，這樣連線的好處是，可以用相對(duì)簡(jiǎn)單的電路，來(lái)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(kāi)關(guān)1處于激活狀態(tài)，則電流從Am流到A+。

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

這種方法的好處是，可以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)閮H需要兩個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，但缺點(diǎn)是一次僅使用電機(jī)線圈的一半，這意味著，如果在線圈中流過(guò)相同的電流，磁場(chǎng)強(qiáng)度將會(huì)減半，另外，由于必須連接更多的引線，所以這種電機(jī)更難以構(gòu)造。

雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

在雙極步進(jìn)電機(jī)中，每個(gè)線圈只有兩個(gè)引線，要控制方向，必須使用H橋電路。

如上圖所示，如果開(kāi)關(guān)1和4處于激活狀態(tài)，則電流從A+流向A-，而如果開(kāi)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(chǎng)。

這種連線方案，缺點(diǎn)是需要更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路，但優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)最大扭矩。和單極步進(jìn)電機(jī)相比，此種連線可以提高40%的扭矩，也就是單極步進(jìn)電機(jī)的√2倍。