步进电机入门级知识

步进电机入门级知识

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。本文将从步进电机的定义、结构、原理、类型、特点、控制方法、应用等几个方面带大家认识步进电机。

 

01 什么是步进电机

 

步进电机是将电脉冲信号，转变为角位移或线位移的开环控制电机，又称为脉冲电机。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，它就可以驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”。

 

在不借助带位置感应的闭环反馈控制系统的情况下、使用步进电机与其配套的驱动器共同组成的控制简便、低成本的开环控制系统，就可以实现精确的位置和速度控制。

 

步进电机的旋转是以固定的角度一步一步运行的，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率，来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装。

 

02 步进电机基本结构和工作原理

 

步进电机一般由前后端盖、轴承、中心轴、转子铁芯、定子铁芯、定子组件、波纹垫圈、螺钉等部分构成，步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，是由缠绕在电机定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在定子齿槽上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。

 

与所有电机一样，步进电机也包括固定部分（定子）和活动部分（转子）。定子上有缠绕了线圈的齿轮状突起，而转子为 永磁体或可变磁阻铁芯。稍后我们将更深入地介绍不同的转子结构。如图中显示的电机截面图，其转子为可变磁阻铁芯。

△ 示意图

△ 内部简化结构图

 

当给一个或多个定子相位通电，线圈中通过的电流会产生磁场，而转子会与该磁场对齐；依次给不同的相位施加电压，转子将旋转特定的角度并最终到达需要的位置。工作过程如下图中所示，首先，线圈A通电并产生磁场，转子与该磁场对齐；线圈B通电后，转子顺时针旋转60°以与新的磁场对齐；线圈C通电后也会出现同样的情况。下图中定子小齿的颜色指示出定子绕组产生的磁场方向。

△ 旋转过程

 

总之，步进电机是一种特殊的同步电动机,它通过给驱动线圈通以脉冲电流,使转子按照一定的步长角度移动。步进电机的转子由残余极对组成,每个极对的极角称为步角。输入一个脉冲信号,转子就转动一个步角；输入多个脉冲信号，转子按脉冲数旋转一个固定的角度。

 

以1.8度两相步进电机为例：当两相绕组都通电励磁时，电机输出轴将静止并锁定位置。在额定电流下使电机保持锁定的最大力矩为保持力矩。如果其中一相绕组的电流发生了变向，则电机将顺着一个既定方向旋转一步（1.8度）。同理，如果是另外一项绕组的电流发生了变向，则电机将顺着与前者相反的方向旋转一步（1.8度）。当通过线圈绕组的电流按顺序依次变向励磁时，则电 机会顺着既定的方向实现连续旋转步进，运行精度非常高。对于 1.8度两相步进电机旋转一周需200步。

 

03 步进电机工作原理

 

步进电机是通过脉冲信号来进行控制，每输入一个脉冲信号，步进电机前进一步。步进电机旋转的步距角，是在电机结构的基础上等比例控制产生的，如果控制电路的细分控制不变，那么步进旋转的步距角在理论上是一个固定的角度。在实际工作中，电机旋转的步距角会有微小的差别，主要是由于电机结构上的固定有误差产生的，而且这种误差不会积

 

步进电机的总极数越大，加工精度的要求就会越高。通常工业用混合型步进电机的步距角是1.8度，就是200极。

 

 

步进电机的相电流及磁场，遵循安培右手螺旋定律，由电能产生磁场能量，控制电机相电流，就能使电机定子的磁极方向发生反转，二相磁场的变化相配合，进而产生电机的旋转。

 

 

如果电流方向发生变化，磁极的方向也会发生变化，步进电机的电流流过定子产生磁场的过程叫做励磁。

 

 

通常所说的二相步进电机，电机转子的旋转，包含不同磁极的磁场相斥和相吸实现的。如上图所示，A相产生N极磁场吸引转子的S极，B相产生S极磁场吸引转子的N极，使定子产生旋转的动力。如果改变A、B相定子线圈的电流方向，电机会产生另一步的旋转。连续改变A、B相定子线圈的电流方向，电机会产生连续的旋转。

 

 

如上图所示，电机的运动是通过改变电流在电机中的流动来实现的，电子转子排斥B相磁极的定子，吸引A相磁极的定子，这就产生了另一个步进操作。

 

 

执行另一个步进操作，电机定子磁极反转，转子排斥B相磁极的定子，吸引A相磁极的定子，如上图所示。

 

如上图所示，定子线圈中的电流方向无论何时发生变化，磁极将会反转，转子重复步进操作。

 

04 步进电机的类型

 

步进电机内部材料不是完全统一的，它也包含多种型号，按定子相数进行分类有单相，二相，三相，四相，五相等等。按照转子结构进行分类包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）。
反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子，如上面图形中，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。其动态性能相对较差，噪声和振动比较大。
永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，它的出力大，动态性能好，但步距角一般比较大，步进角一般为7.5度 或15度，一般为两相，转矩和体积较小。

△ 永磁式步进电机、

 

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，它是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。

 

△ 混合式步进电机

 

05 步进电机的特点

 

步进电机工作时的位置和速度信号不反馈给控制系统，如果电机工作时的位置和速度信号反馈给控制系统，那么它就属于伺服电机。相对于伺服电机，步进电机的控制相对简单，但不适用于精度要求较高的场合。

 

 

步进电机的优点和缺点都非常的突出，优点集中于控制简单、精度高，缺点是噪声、震动和效率，它没有累积误差，结构简单，使用维修方便，制造成本低。步进电机带动负载惯量的能力大，适用于中小型机床和速度精度要求不高的地方，缺点是效率较低、发热大，有时会“失步”。优缺点如下所示。
优点：

1. 电机操作易于通过脉冲信号输入到电机进行控制；

2. 不需要反馈电路以返回旋转轴的位置和速度信息（开环控制）；

3. 由于没有接触电刷而实现了更大的可靠性。
缺点：

1. 需要脉冲信号输出电路；

2. 当控制不适当的时候，可能会出现同步丢失；

3. 由于在旋转轴停止后仍然存在电流而产生热量。

 

06 步进电机的控制方法

 

步进电机不能直接使用直流电进行控制，需要由脉冲信号驱动其转动。步进电机的转动距离正比于施加到驱动器上的脉冲信号数（脉冲数）。步进电机转动（电机出力轴转动角度）和脉冲数的关系如下所示：

角度与脉冲关系：

步进电机的转速与施加到驱动器上的脉冲信号频率成比例关系。电机的转速[r/min] 与脉冲频率[Hz] 的关系如下（整步模式）：

速度与脉冲关系：

驱动步进电机通常都会使用相关驱动芯片来进行控制，市面上各种驱动驱动芯片都有。简单的应用只需要普通的几块钱的驱动芯片就可以了，比如：ULN2003A，DRV8834等。但如果要进行高精度的控制不仅需要步进电机精度高，驱动器也需要足够好，在很多工程领域都会用到专门的驱动器来实现更多元的控制效果。

△ 控制框图

 

07 应用场景

 

步进电机在消费电子、家电、汽车领域都有着不少关键应用，如打印机、传真机、监视摄像机、照明装置、机器人、医疗器械等应用。在现在的应用中，采用高效率的电机驱动和控制方法对电机而言非常重要，步进电机的驱动控制也在不断优化。