步进电机工作原理及其控制详解，值得一学！

电机将电能转换成机械能，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元件。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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

永磁步进电机包括一个永磁转子、线圈绕组和导磁定子。激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极，见图1所示。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。

图2显示了一个两相电机的典型的步进顺序。在第1步中，两相定子的A相通电，因异性相吸，其磁场将转子固定在图示位置。当A相关闭、B相通电时，转子顺时针旋转90°。在第3步中，B相关闭、A相通电，但极性与第1步相反，这促使转子再次旋转90°。在第4步中，A相关闭、B相通电，极性与第2步相反。重复该顺序促使转子按90°的步距角顺时针旋转。

图2中显示的步进顺序称为“单相激励”步进。更常用的步进方法是“双相激励”，其中电机的两相一直通电。但是，一次只能转换一相的极性，见图3所示。两相步进时，转子与定子两相之间的轴线处对直。由于两相一直通电，本方法比“单相通电”步进多提供了41.1%的力矩，但输入功率却为2倍。

半步步进电机也可在转换相位之间插入一个关闭状态而走“半步”。这将步进电机的整个步距角一分为二。例如，一个90°的步进电机将每半步移动45°，见图4。但是，与“两相通电”相比，半步进通常导致15%～30%的力矩损失（取决于步进速率）。在每交换半步的过程中，由于其中一个绕组没有通电，所以作用在转子上的电磁力要小，造成了力矩的净损失。

双极性绕组

双相激励介绍了利用一种“双极性线圈绕组”的方法。每相用一个绕组，通过将绕组中电流反向，电磁极性被反向。典型的两相双极驱动的输出步骤在电气原理图和图5中的步进顺序中进一步阐述。按图所示，转换只利用绕组简单地改变电流的方向，就能改变该组的极性。

单极性绕组

另一常用绕组是单极性绕组。其一个电极上有两个绕组，这种联接方式为当一个绕组通电时，产生一个北极磁场；另一个绕组通电，则产生一个南极磁场。因为从驱动器到线圈的电流不会反向，所以可称其为单极绕组。该步进顺序见图6所示。该设计使得电子驱动器简单化。但是，与双极性绕组相比，其力矩大约少30%，因为励磁线圈仅被利用了一半。

四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示：

用达林顿管驱动四相步进电机举例：（两相步进电机多采用H桥驱动，如L298N和L293D芯片）

步进电机类型及其辨别：

对于业余爱好者来说，最容易得到的步进电机是单极性(又称双线或4相)和双极性(又称单线或两相)步进电机。

一、单极性步进电机

这种步进电机之所以称为单极性是因为每个绕组中电流仅沿一个方向流动。它也被称为两线步进电机，因为它只含有两个线圈。两个线圈的极性相反，卷绕在同一铁芯上，具有同一个中间抽头。单极性步进电机还被称为4相步进电机，因为它有4个激励绕组。单极性步进电机的引线有5或6根。

如果步进电机的引线是5根，那么其中一根是公共线(连接到V+)，其他4根分别连到电机的4相。如果步进电机的引线是6根，那么它是多段式单极性步进电机有两个绕组，每个绕组分别有一个中间抽头引线。但是如何分辨这些引线呢?请继续读下述内容。

1．分辨5线单极性步进电机接头

为了找出正确的引线顺序并使电机转动，需要一块电池和一段胶带(当然也需要一个5引线步进电机)。备好记号笔来标注引线以便分辨它们。按以下步骤操作：

①用数字万用表找到公共线。其他引线与 公共线之间的电阻测量值都相同。将此线连接到电池的V+。5V或6V就足够测试用了。

②胶带粘贴到步进电机的输出铀上，并使它垂直于轴端伸出成为一个标志。此标志的作用在于判断电机是否转动。

③任意挑出一条引线称之为相1。若将此线接地，则电机输出轴将做轻微的转动。现在步进电机被锁定在相1的位置上。

④取另一根引线并将其接地，仔细观察输出轴上的胶带。如果输出轴向右轻微地旋转，那么此根引线是相2。如果输出轴向左轻微地旋转，那么此根引线是相4。如果输出轴不旋转，那么此根引线就是相3。

2．分辨6线单极性步进电机接头

回收打印机旧电机时最常遇到这种类型的单极性步进电机。6线单极性步进电机通常看起来像是两个单段式电机叠放在一起，每个单段有3根线引出。这种步进电机的引线非常容易分辨。

分辨6线步进电机引线顺序的工作相当简单。如果它的结构形式是多段式步进电机，那么引线的顺序实际上已经给出了，用数字万用表可以找出每对绕组的公共线。只要保持绕组对的两根引线对应一致，它们的顺序并无关紧要，仅会影响电机的旋转方向而已。

如果不是多段式的6线步进电机，可以按以下步骤确定绕组对的引线：

①使用数字万用表找出每对绕组的公共端。

②照上述方法能找出两个绕组对，分隔它们并加以标记。请将其中一个绕组对标记为A和C(也可以是1和3)，另一个标记为B和D(也可以是2和4)。在每一对绕组中，哪条引线是何顺序并不重要，只要成对就足够了。

二、双极性步进电机

双极性步进电机之所以如此命名，是因为每个绕组都可以两个方向通电。因此每个绕组都既可以是N极又可以是S极。它又被称为单绕组步进电机，因为每极只有单一的绕组，它还被称为两相步进电机，因为具有两个分离的线圈。

双极性步进电机有四根引线，每个绕组两条。与同样尺寸和重量的单极性步进电极相比，双极性步进电机具有更大的驱动能力，原因在于其磁极(不是中间抽头的单一线圈)中的场强是单极性步进电机的两倍。双极性步进电机的每个绕组需要一个可逆电源，通常由H桥驱动电路提供。由于双极性步进电机比单极性步进电机的输出力矩大，因此总是应用于空间有限的设计中。这也是软盘驱动器的磁头步进机械系统的驱动之所以总是采用双极性步进电机的原因。

可以相当简单地使用数字万用表来查找两个绕组。如果在某两根引线之间能够测量到阻值，那么这两根引线之间就属于一个绕组，其他两根线之间是另外一个绕组。双极性步进电机的步距通常是1.8°，也就是每周200步。

步进电机的工作原理及特点

1、什么是步进电机

步进电机是一种基于电磁感应原理、把电脉冲信号转换为角位移或线位移的开环控制电机，是工业控制系统中一种常见的执行机构（注：工业控制系统由控制器、控制元件、传感器及执行机构组成）。

步进电机的内部由转子和定子组成，下面这张图是一个两相步进电机的外观图：

2、步进电机相关的基本概念

2.1、相数 ：是指步进电机定子绕组的组数（即内部线圈的个数）。常见的有两相、三相、四相、五相步进电机；

2.2、步距角 ：步进电机接收一个脉冲信号后所转过的角度，步距角在电机出厂时已经确定，会写在电机上。一般两相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相电机的步距角为0.75°/1.5°，五相电机的步距角为0.36°/0.72°；如果不使用细分驱动器，只能靠选择不同步距角的步进电机来满足控制要求。细分驱动器可以改变步进电机的步距角，这个我们将在第二节《认识步进驱动器》中介绍；

2.3 、保持转矩（holding torque） ：是指步进电机绕组通电且转子没有转动时，使电机能够移动完整的一步所需要的扭矩。保持转矩主要受电机绕组所允许的最大电流限制，通常大于运行转矩（running torque）。保持转矩是步进电机最重要的参数之一，它的优点在于可以使负载保持在某个位置。在不特别指明的情况下，通常说的步进电机的转矩就是指保持转矩。比如，某步进电机的转矩为3.5NM，就是指其保持扭矩为3.5NM；

2.4、阻尼转矩（detent torque） ：是指步进电机绕组在不通电的情况下，由其本身的机械特性（永磁性结构）所产生的转矩。在不通电的情况下，用手去转动转子可以感受到阻尼转矩；

3、步进电机的分类与结构

步进电机的内部由转子（rotor）和定子（stator）组成。

当定子线圈通电时，会产生感应磁场，感应磁场与转子相互作用使转子转过一定的角度。

根据励磁方式的不同，步进电机可分为：永磁式、反应式（磁阻式）和混合式三种。

3.1、永磁式（permanent magnet stepper motor）

永磁式步进电机的转子（rotor）是一种永磁性的、柱状结构，具有N极和S极；定子是具有对称结构的励磁线圈；当定子线圈通入直流电后，根据安培右手定律，线圈的两端会产生磁场；定子产生的磁场与转子的永磁性材料相互作用从而使转子转动。通过给定子绕组交替通电，就能控制转子按照某个方向交替运动；

永磁式步进电机的定子/转子结构如下图所示：

3.2、反应式（variable reluctance stepper motor）

反应式步进电机也称为磁阻式步进电机，其转子是一个非磁性的、软铁性质的、齿状结构；其定子由励磁线圈组成；由于转子是非磁性结构，因此在定子没有通电之前，定子与转子之间没有任何磁性相互作用。因此，反应式步进电机没有阻尼转矩（detent torque）。

反应式步进电机内部结构示意图如下：

3.3、混合式（hybrid stepper motor）

顾名思义，混合式步进电机结合了永磁式和反应式步进电机的优点，它的转子采用永磁性材料，并且将其分成南极（S极）和北极（N极）两个部分，每个部分又有很多的齿状结构，如下图所示：

混合式步进电机的定子由励磁线圈组成，每一组线圈下面也具有交替分布的齿状结构。如下图所示：

混合式步进电机的步距角小、动态性能好，是使用最广泛的步进电机。下面这张图是混合式步进电机的转子和定子实物图：

4、步进电机的特点

步进电机结构简单、使用方便、没有积累误差、只需要脉冲信号就能进行工作，因此既可以使用PLC进行控制，也可以使用单片机等能产生脉冲信号的装置进行控制，在工业自动化控制中使用非常广泛。

不过其噪音和震动较大，并且可能会出现失步的情况，因此只适合于精度要求不高的场合。

另外步进电机的位置和速度信号不能反馈给控制系统，一般只能用于开环控制。如果要构成闭环控制系统，需要在运动轴上增加编码器等信号反馈装置。

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