基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1．步進(jìn)電機基本結(jié)構(gòu)（如圖1所示）

圖 1 步進(jìn)電機基本結(jié)構(gòu)圖

2．工作原理

步進(jìn)電機驅(qū)動器根據(jù)外來的控制脈沖和方向信號， 通過其內(nèi)部的邏輯電路，控制步進(jìn)電機的繞組以一定的時序正向或反向通電，使得電機正向/反向旋轉(zhuǎn)，或者鎖定。

以1.8度兩相步進(jìn)電機為例：當(dāng)兩相繞組都通電勵磁時，電機輸出軸將靜止并鎖定位置。在額定電流下使電機保持鎖定的最大力矩為保持力矩。如果其中一相繞組的電流發(fā)生了變向，則電機將順著一個既定方向旋轉(zhuǎn)一步（ 1.8度）。

同理，如果是另外一項繞組的電流發(fā)生了變向，則電機將順著與前者相反的方向旋轉(zhuǎn)一步（ 1.8 度）。當(dāng)通過線圈繞組的電流按順序依次變向勵磁時，則電機會順著既定的方向?qū)崿F(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)，運行精度非常高。對于1.8度兩相步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)一周需200步。

兩相步進(jìn)電機有兩種繞組形式：雙極性和單極性。

雙極性電機每相上只有一個繞組線圈，電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)時電流要在同一線圈內(nèi)依次變向勵磁，驅(qū)動電路設(shè)計上需要八個電子開關(guān)進(jìn)行順序切換。單極性電機每相上有兩個極性相反的繞組線圈，電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)時只要交替對同一相上的兩個繞組線圈進(jìn)行通電勵磁。

驅(qū)動電路設(shè)計上只需要四個電子開關(guān)。在雙極性驅(qū)動模式下，因為每相的繞組線圈為100%勵磁，所以雙極性驅(qū)動模式下電機的輸出力矩比單極性驅(qū)動模式下提高了約40%。

步進(jìn)電機的特性

1、 精準(zhǔn)的位置控制

依照輸入脈沖的數(shù)量，確定軸轉(zhuǎn)動的角度。位置誤差非常小（小于1/10度），且不累積。

2、精確的轉(zhuǎn)速

步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速取決于輸入電脈沖的頻率，可以實現(xiàn)精確控制和方便調(diào)節(jié)。因此被廣泛地應(yīng)用于各種運動控制領(lǐng)域。

3、 正向/反向轉(zhuǎn)動，急停及鎖定功能

在整個速度范圍內(nèi)都可以實現(xiàn)對電機力矩和位置的有效控制，包括靜力矩。在電機鎖定狀態(tài)下（電機繞組中存在電流，而外部沒有旋轉(zhuǎn)的脈沖指令輸入），仍然保持一定的力矩輸出。

4、 低轉(zhuǎn)速條件下的精準(zhǔn)位置控制

步進(jìn)電機不需要借助齒輪箱的調(diào)節(jié)，就可以在非常低的轉(zhuǎn)速下平穩(wěn)運行，同時輸出較大的力矩，避免了功率的損耗和角度位置偏差，同時降低了成本，節(jié)省了空間。

5、 更長的使用壽命

步進(jìn)電機的無電刷設(shè)計保證了電機的使用壽命很長。步進(jìn)電機的壽命通常取決于軸承。

振動與噪音

一般來講，步進(jìn)電機在空載運行情況下，當(dāng)電機的運行頻率接近或等于電機轉(zhuǎn)子的固有頻率時會發(fā)生共振， 嚴(yán)重的會發(fā)生失步現(xiàn)象。

針對共振的問題，有以下幾種解決方案：

A. 避開振動區(qū)

使電機的工作頻率不落在振動范圍內(nèi)。

B. 采用細(xì)分的驅(qū)動模式

使用微步驅(qū)動模式，將原來的一步細(xì)分為多步運行，提高電機的每步分辨率，從而降低振動。這可以通過調(diào)整電機的相電流比來實現(xiàn)的。微步并不會增加步距角精確度，卻能使電機運行更加平穩(wěn)，噪音更小。一般電機在半步運行時，力矩會比整步時小15%，而采用正弦波電流控制時，力矩將減小30%。

小結(jié)

在機械設(shè)計中，我們經(jīng)常用到步進(jìn)電機，比如，用步進(jìn)電機驅(qū)動同步帶軸，實現(xiàn)直線運動；再比如，用步進(jìn)電機驅(qū)動滾珠絲杠軸，也可以把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。因為不需要反饋系統(tǒng)，所以步進(jìn)電機的最大優(yōu)點是經(jīng)濟(jì)實用并且可以獲得不錯的精度。其實，除了機器中的運動平臺，生活中也可以發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機的存在，比如打印機，掃描儀，相機，ATM機，3D打印機等等。

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來源：上海安浦鳴志自動化設(shè)備有限公司

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