一文詳解步進電機

01基本原理

步進電機是一種用電脈沖進行控制，將電脈沖(數(shù)字信號)轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。

通常步進電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度 (稱為"步距角")，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。

步進電機輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，改變繞組通電的順序，電機就會反轉(zhuǎn)。因此：

可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；

可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的；

可以通過控制繞組通電順序，達到控制電機正反轉(zhuǎn)的目的。

步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差的特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。

02步進電機分類

1、按照定子相數(shù)進行分類

x相即有x個繞組。

（1）單相步進電機

單相步進電機的電磁轉(zhuǎn)矩只在定子電流變換時產(chǎn)生，其平均轉(zhuǎn)矩比兩相以上的電機小得多，響應(yīng)脈沖頻率也在100pps(pulse per second)以下，故其用途受到很大限制，只能在響應(yīng)脈沖頻率比較低的輕載下運行。例如時鐘、車用計時器、水表計數(shù)器。

（2）兩相步進電機

上圖所示，定子磁極數(shù)為4極，相當(dāng)于一個繞組占兩個極。

上圖所示，定子磁極數(shù)為8極，相當(dāng)于一個繞組占四個極。

（3）三相步進電機

三相步進電機定子線圈的主極數(shù)為三的倍數(shù)，故三相步進電機的定子主極數(shù)為3、6、9、12等。

（4）四相步進電機

四相步進電機的驅(qū)動器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，只有特殊用途才使用。

（5）五相步進電機

2、按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行分類

（1）永磁式步進電機(Permanent Magnet,PM)

轉(zhuǎn)子由永磁材料構(gòu)成。PM型轉(zhuǎn)子為內(nèi)轉(zhuǎn)子型，圓柱形轉(zhuǎn)子的外表面分布N、S極(外表面無齒)。

▼單相永磁式步進電機▼

▼兩相永磁式步進電機▼

特點：永磁式步進電機輸出力矩大，動態(tài)性能好，但步距角大。

（2）反應(yīng)式步進電機(Variable Reluctance，VR)

轉(zhuǎn)子由硅鋼片或電工純鐵棒等導(dǎo)磁體構(gòu)成，轉(zhuǎn)子外表面為多齒結(jié)構(gòu)(轉(zhuǎn)子的齒槽在轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生磁阻變化，故又稱為變磁阻電機)。

當(dāng)定子線圈通電時，定子磁極磁化，吸引轉(zhuǎn)子齒而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使其移動一步。

與永磁電機產(chǎn)生磁性吸引轉(zhuǎn)矩和排斥轉(zhuǎn)矩相比，反應(yīng)式步進電機只產(chǎn)生吸引轉(zhuǎn)矩。

下圖為反應(yīng)式步進電機的結(jié)構(gòu)。圖中定子上均勻分布了12個磁極，每個磁極相距30°；相差90°的四個線圈組成一相繞組。轉(zhuǎn)子齒數(shù)為8，當(dāng)一相繞組通電時，其定子極吸引轉(zhuǎn)子齒，使氣隙磁阻最小，達到靜止位置。

接下來講解其工作原理：

第一步，為第1相線圈的簡化圖，剖面線表示第1相定子激磁，轉(zhuǎn)子被第1相定子磁極吸引，轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)到定子磁極之下。

第二步，第1相繞組電流關(guān)閉，第2相繞組通電，轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)一步(15°=齒節(jié)距除以定子相數(shù))，旋轉(zhuǎn)至第2相定子磁極之下停止。

第三步，同樣給第3相繞組通電，轉(zhuǎn)子同樣逆時針旋轉(zhuǎn)15°，與定子第3相磁極相對位置停止。

下一刻，第1相繞組又通電，又由步驟3的轉(zhuǎn)子位置逆時針旋轉(zhuǎn)15°到第1相定子磁極下，恢復(fù)到第一步狀態(tài)。

特點：結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角小。但因反應(yīng)式步進電機不使用永久磁鐵，其定轉(zhuǎn)子磁場強度與激磁電流成正比，要想增大磁場強度，就需要很大的激磁電流，因此溫升很高，散熱片也很大，并且動態(tài)性能差，效率低，可靠性差。

（3）混合式步進電機(Hybrid Stepping,HS)

混合式步進電機有兩相、三相、五相式，本節(jié)以兩相混合式步進電機進行說明。

混合式步進電機的名稱由其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)得來，其轉(zhuǎn)子是PM型轉(zhuǎn)子與VR型轉(zhuǎn)子的復(fù)合體。

混合式步進電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為兩個導(dǎo)磁圓盤中間夾著一個永磁圓柱體軸向串在一起，兩個導(dǎo)磁圓盤的外圓齒節(jié)距相同，與前述的VR型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相同，其兩個圓盤的齒錯開1/2齒距安裝，轉(zhuǎn)子圓柱永磁體軸向充磁，一段為N，另一端為S。

這種電機轉(zhuǎn)子與前面敘述的PM型轉(zhuǎn)子從結(jié)構(gòu)來看，PM型轉(zhuǎn)子的N極與S極分布于轉(zhuǎn)子外表面，要提高分辨率，就要提高極對數(shù)，通常20mm直徑的轉(zhuǎn)子可配置24極，如再增加極數(shù)，會增大漏磁，降低電磁轉(zhuǎn)矩；而混合式步進電機的轉(zhuǎn)子N極與S極分布在兩個不同的軟磁圓盤上，因此可以增加轉(zhuǎn)子極數(shù)，從而提高分辨率，20mm的直徑的轉(zhuǎn)子可配置100極，并且磁極磁化方向為軸向，N極與S極在裝配后兩極磁化，充磁簡單。

與轉(zhuǎn)子齒對應(yīng)的定子極，主極內(nèi)徑有與轉(zhuǎn)子齒節(jié)距相同的小齒，與轉(zhuǎn)子齒的磁通在氣隙內(nèi)相互作用，能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

下圖為兩相混合式步進電機的磁路：

下圖為兩相混合式步進電機的工作原理圖：

接下來，以一個實物模型來詳細講解混合式步進電機的工作原理。

下圖是一個雙極性四線兩相混合式的步進電機：

注：在這里可以先不用管什么是雙極性，接著往下看就行。

注：“四線” 就是說明步進電機有四個接線口。

下圖為上述步進電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：

轉(zhuǎn)子內(nèi)部如下圖所示，由圖可知，里面由永磁鐵，齒輪帽構(gòu)成。

齒輪帽本身不帶磁性，但是和永磁鐵挨一起了，就有了磁性。

看完了轉(zhuǎn)子，我們來分析定子。轉(zhuǎn)子有50個齒，定子只有48個齒。

從下圖可以看到它其實只有兩個獨立通電的線圈，也就是說這個步進電機是兩相步進電機。

我們將兩個線圈進行標識為A和B,如下圖：

這是給線圈A通電，如下圖：轉(zhuǎn)子齒是S極，線圈會產(chǎn)生磁場，由于異性相吸，所以紅色的定子齒會和轉(zhuǎn)子齒相吸引，由于同性互斥，所以黃色的齒會排斥轉(zhuǎn)子齒。

當(dāng)給線圈A斷電，線圈B通電后，如下圖：

磁場發(fā)生了變化，定子會發(fā)生微小的轉(zhuǎn)動，會轉(zhuǎn)動1.8度，如下圖：轉(zhuǎn)子齒是S極，線圈會產(chǎn)生磁場，由于異性相吸，所以藍色的定子齒會和轉(zhuǎn)子齒相吸引，由于同性互斥，所以綠色的齒會排斥轉(zhuǎn)子齒。

值得注意的是，這是半步進的驅(qū)動方式，走一步是1.8度，如果是兩個線圈同時都通電的話，就是全步進驅(qū)動方式了，走一步是0.9度。這樣控制更加精確。

特點：步距角小、輸出力矩大、動態(tài)性能好。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

3、按照驅(qū)動方式(雙極驅(qū)動/單極驅(qū)動)分類

電機按照驅(qū)動方式也分單極性步進電機和雙極性步進電機。

簡單來說，如果步進電機的線圈是可以雙向?qū)щ姷?，那么這個步進電機就是雙極性的，相反，如果步進電機的線圈是只允許單向?qū)щ姷模敲催@個步進電機就是單極性的。

下圖中的線圈是可以雙向?qū)щ姷?，所以是雙極性步進電機。

下圖的線圈中間導(dǎo)線總是接電源正極（也有總是接電源負極的），通過改變電源接地的位置來改變電磁場，從而改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度。

通電后受到電磁場得作用，轉(zhuǎn)子移動。

此時這個線圈斷電，另一個線圈通電后，轉(zhuǎn)子又會發(fā)生改變。

下圖為單極和雙極的兩相驅(qū)動電路及其電壓波形，兩相式通常用兩相激磁方式(通常兩個相同時加激磁電壓)。

比較單極式與雙極式的驅(qū)動電路，單極式驅(qū)動電路用4個功率管，線圈電流在線圈內(nèi)單一方向流動。雙極式驅(qū)動電路使用功率管的個數(shù)為單極式的兩倍，需要8個，線圈電流在線圈內(nèi)正反向交替流過，Tr1與Tr4或Tr3與Tr2同時且交替導(dǎo)通，Tr1與Tr3即使短時同時導(dǎo)通，也會造成電源短路，產(chǎn)生很大的電流，因此有必要附加防止短路電路。雙極式驅(qū)動電路比單極式驅(qū)動電路復(fù)雜很多。

下圖為單極式步進電機及其線圈不使用中間抽頭，兩個線圈串聯(lián)做雙極式驅(qū)動的單極式與雙極式的特性曲線。且均采用同一恒電流驅(qū)動方式。

由此可看出，一般低速大轉(zhuǎn)矩的負載使用雙極式驅(qū)動，而高速驅(qū)動的負載使用單極式驅(qū)動。

低速時雙極式的輸出轉(zhuǎn)矩比單極式約大50%。高速時，因雙極式匝數(shù)多的原因，電感變大，使電流減小，從而轉(zhuǎn)矩減小。

故針對負載的大小、使用速度、加速時間等，有必要合理選擇單極式或雙極式的驅(qū)動應(yīng)用場合。

03基本參數(shù)

1、相數(shù)

指定子相數(shù)，即可獨立通電的定子電磁圈數(shù)，x相即有x個繞組。

2、分辨率

步進電機分辨率即步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈(360°)所走的步數(shù)，若已知步進電機步距角，可使用360°除以步距角來計算步進電機分辨率。步進電機分辨率越高，位置精度越高。

3、步距角(步進角)

為了得到高分辨率，就需要減小步距角。步距角的公式如下所示：

其中，θs為步進電機步距角；P為定子相數(shù)；Nr為轉(zhuǎn)子極對數(shù)(即轉(zhuǎn)子極數(shù)除以2)。

注：在反應(yīng)式步進電機中，步距角不能用上式計算，而是上式的兩倍。即分辨率與永磁式及混合式相比，雖然轉(zhuǎn)子齒數(shù)相同，但反應(yīng)式只有一半。

注：在混合式步進電機中，Nr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。

上述公式的物理意義為：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的機械角度為360°，如用極數(shù)2Nr去除，相當(dāng)于一個極所占的機械角度為180°/Nr。也就是說，一個極的機械角度用定子相數(shù)去分割，就得到了步距角，如下圖的HS型步進電機所示。

又由上式可知，要提高步進電機的分辨率，就要增加轉(zhuǎn)子極對數(shù)Nr或增加定子相數(shù)P。而增加Nr收到機械加工的限制，所以要制造高分辨率的步進電機需要兩種方法并用。

4、定位轉(zhuǎn)矩(DETENT TORQUE)

是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT TORQUE在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，暫且翻譯為定位轉(zhuǎn)矩。

由于反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以反應(yīng)式步進電機沒有定位轉(zhuǎn)矩。

5、保持轉(zhuǎn)矩(最大靜力矩)

指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。

它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2Nm的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2Nm的步進電機。

一般，最大靜轉(zhuǎn)矩較大的電機，可以帶動較大的負載轉(zhuǎn)矩，負載轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的比值通常取為0.3～0.5，即TL=(0.3～0.5)Tjmax。

按最大靜轉(zhuǎn)矩的值可以把步進電機分為伺服步進電機和功率步進電機，前者輸出力矩較小，有時需要經(jīng)過液壓力矩放大器或伺服功率放大系統(tǒng)放大后再去帶動負載，而功率步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩一般大于0.05Nm，它不需要力矩放大裝置就能直接帶動負載運動，這不僅大大簡化了系統(tǒng)，而且提高了傳動精度。

6、繞線類型

也可理解為驅(qū)動方式，有雙極性和單極性。

7、額定電流

指電機可以長期連續(xù)工作的電流。

8、額定電壓

指電機可以長期連續(xù)工作的電壓。

9、基座尺寸

包括NEMA10、NEMA11、NEMA14、NEMA16、NEMA17。

10、矩頻特性

電動機的性能在很大程度上不僅僅取決于矩角特性的形狀，而且取決于矩頻特性，首先需要根據(jù)計算出的脈沖速度和運行需要的轉(zhuǎn)矩，作出速度一轉(zhuǎn)矩曲線，將該曲線與步進電機生產(chǎn)廠家的矩頻特性曲線比較，若計算曲線在產(chǎn)品特性之下，則可選擇相應(yīng)的電機和驅(qū)動器，步進電機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動器的形式有很大的關(guān)系，因而選用時必須了解給出的性能指標是在何種型式的電源及驅(qū)動下測定的。

11、速度力矩曲線