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。

图文讲解步进电机的类型结构与原理，非专业人士也能看懂

大家好，欢迎收看直观机械，今天我们来一起看一看步进电机的基本结构和原理。

在工业自动化中，步进电机的应用非常的广泛。例如工业机器人、3D打印机、计算机硬盘等都有步进电机的身影。步进电机的特殊性在于它可以控制转子的角度位置，而不需要传感器来控制位置，因此是一种开环控制系统。与直流无刷电机相似，他们都是通过控制线圈的通电时序，使磁铁之间产生相互作用的力来旋转。

根据步进电机的构造，可以分为永磁式、反应式和混合式3种。目前最常用的是混合式步进电机，因为它综合了永磁式和反应式的优点。我们先通过永磁式步进电机来了解一些其结构和控制原理，然后进一步了解反应式和混合式步进电机的结构和控制原理。

为了增大磁感应强度，减少涡轮损失，步进电机的转子和定子框架都是由高磁导率的硅钢片叠成。在定子框架上有4个定子齿，将其绕上两组线圈并通电后，根据电磁感应原理，此时线圈就变成了电磁铁。

根据右手定则，一端会变成N极一端会变成S极，这种极性的变化可以通过改变电源的正负极来实现转换。如果将电源的正负极转换加上一定的规律性，定子部分就行形成一个旋转的磁场，这样转子就会随着旋转的磁场而转动。而转子的转动有一个很重要的参数，那就是：步距角。步距角就是一个脉冲信号转子转过的角度，其计算公式为：360度除以括号转子齿数乘以运行拍数（永磁体齿数可以认为为1）。此步进电机的步距角为90度。

步进电机并不能直接接电源工作，因为步进电机的是通过脉冲信号来控制器工作的，因此步进电机的工作需要驱动器来控制。通过PLC编程控制脉冲的数量和频率以及电机各相绕组的功率顺序，控制步进电机的旋转。步进电机的驱动方式有3种，即满步、半步以及微步驱动。而根据通电相数，满步驱动又分为单相满步驱动和双相满步驱动两种，这个看图片我们就很容易能看懂。

半步驱动就是一次只驱动半个步距，它是通过单双电交替通电实现的。当单相通电时，一个线圈产生磁场，转子指向通电的线圈，而当双相通电时，两个线圈都产生磁场，合成的磁场使转子处于中间位置。大家可以看图片理解一下。

微步驱动其实也不难理解。随着电流的大小变化，线圈磁场的强度也会随之变化，转子的平衡位置也会发生变化，这就是微步驱动的原理。A线圈开始有最大电流，B线圈电流为0，转子指向A线圈。如果A线圈电流慢慢减小，B线圈电流慢慢增大，转子就会慢慢的转向B线圈。宏观来看，A、B线圈的电流变化都接近于三角函数曲线。电流每一步变化的大小，则决定了微步运动的大小。虽然步数越多，运动越平滑，但是扭矩也会相应的减小。

反应式步进电机的转子是由软性材料制作而成的，转子上有多个凸极，这样线圈通电时，才会吸引转子旋转。这类电机结构简单，成本低，但是动态性能差，可靠性不好，因此很少使用。

目前最常用的是混合式步进电机，这类电机综合了以上两种电机的优点。步距角小，力矩大，动态性能好。混合式步进电机的转子比较特殊，它是由两个带齿钢杯装在永磁铁的中心轴上组成的。转子一端N极一端为S极，N及与S极齿牙是错位的。常用的混合式步进电机为1.8度步距角，转子有50齿，而定子只有48齿，分为8个主极。如果将这8个主极分为4对，我们会发现其中1对定子与转子的齿牙是完全对齐的，一对定子与转子的齿牙是错牙的，另外两组的定子与转子的齿牙则是半对齐的。当给定子一个脉冲信号时，定子磁场发生变化，转子就会轻微移动以便与定子齿位对齐，在全驱动情况下，每次移动都是一个凹齿或者凸齿的一半，这个角度就是1.8度。如果是半步驱动的话，这个角度会进一步减小，也就是0.9度。

以上就是步进电机的基本原理，不知道大家看懂了没呢？

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