什么是步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件，通過(guò)控制施加在電機(jī)線(xiàn)圈上的電脈沖順序、頻率和數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、速度和旋轉(zhuǎn)角度的控制。配合以直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或齒輪箱裝置，更可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜、精密的線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)控制要求。

步進(jìn)電機(jī)一般由前后端蓋、軸承、中心軸、轉(zhuǎn)子鐵芯、定子鐵芯、定子組件、波紋墊圈、螺釘?shù)炔糠謽?gòu)成，步進(jìn)電機(jī)也叫步進(jìn)器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，是由纏繞在電機(jī)定子齒槽上的線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線(xiàn)管，而在電機(jī)中，繞在定子齒槽上的金屬絲則叫做繞組、線(xiàn)圈、或相。

步進(jìn)電機(jī)工作原理

與所有電機(jī)一樣，步進(jìn)電機(jī)也包括固定部分（定子）和活動(dòng)部分（轉(zhuǎn)子）。定子上有纏繞了線(xiàn)圈的齒輪狀突起，而轉(zhuǎn)子為 永磁體或可變磁阻鐵芯。稍后我們將更深入地介紹不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。如圖中顯示的電機(jī)截面圖，其轉(zhuǎn)子為可變磁阻鐵芯。

示意圖

當(dāng)給一個(gè)或多個(gè)定子相位通電，線(xiàn)圈中通過(guò)的電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而轉(zhuǎn)子會(huì)與該磁場(chǎng)對(duì)齊；依次給不同的相位施加電壓，轉(zhuǎn)子將旋轉(zhuǎn)特定的角度并最終到達(dá)需要的位置。工作過(guò)程如下圖中所示，首先，線(xiàn)圈A通電并產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子與該磁場(chǎng)對(duì)齊；線(xiàn)圈B通電后，轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°以與新的磁場(chǎng)對(duì)齊；線(xiàn)圈C通電后也會(huì)出現(xiàn)同樣的情況。下圖中定子小齒的顏色指示出定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向。

總之，步進(jìn)電機(jī)是一種特殊的同步電動(dòng)機(jī),它通過(guò)給驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈通以脈沖電流,使轉(zhuǎn)子按照一定的步長(zhǎng)角度移動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子由殘余極對(duì)組成,每個(gè)極對(duì)的極角稱(chēng)為步角。輸入一個(gè)脈沖信號(hào),轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步角;輸入多個(gè)脈沖信號(hào),轉(zhuǎn)子按脈沖數(shù)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度。

以1.8度兩相步進(jìn)電機(jī)為例：當(dāng)兩相繞組都通電勵(lì)磁時(shí)，電機(jī)輸出軸將靜止并鎖定位置。在額定電流下使電機(jī)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(jī)將順著一個(gè)既定方向旋轉(zhuǎn)一步（1.8度）。同理，如果是另外一項(xiàng)繞組的電流發(fā)生了變向，則電機(jī)將順著與前者相反的方向旋轉(zhuǎn)一步（1.8度）。當(dāng)通過(guò)線(xiàn)圈繞組的電流按順序依次變向勵(lì)磁時(shí)，則電 機(jī)會(huì)順著既定的方向?qū)崿F(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)，運(yùn)行精度非常高。對(duì)于 1.8度兩相步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周需200步。

步進(jìn)電機(jī)的類(lèi)型

步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部材料不是完全統(tǒng)一的，它也包含多種型號(hào)，按定子相數(shù)進(jìn)行分類(lèi)有單相，二相，三相，四相，五相等等。

按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）。

• 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，如上面圖形中，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。其動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差，噪聲和振動(dòng)比較大。

• 永磁式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，它的出力大，動(dòng)態(tài)性能好，但步距角一般比較大，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度，一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小。

• 混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，它是PM和VR的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。此類(lèi)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是性能較好的一類(lèi)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在計(jì)算機(jī)相關(guān)的設(shè)備中多用此類(lèi)電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)的控制方法

步進(jìn)電機(jī)不能直接使用直流電進(jìn)行控制，需要由脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)距離正比于施加到驅(qū)動(dòng)器上的脈沖信號(hào)數(shù)（脈沖數(shù)）。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)出力軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度）和脈沖數(shù)的關(guān)系如下所示：

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與施加到驅(qū)動(dòng)器上的脈沖信號(hào)頻率成比例關(guān)系。電機(jī)的轉(zhuǎn)速[r/min] 與脈沖頻率[Hz] 的關(guān)系如下（整步模式）：

驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)通常都會(huì)使用相關(guān)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)進(jìn)行控制，市面上各種驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)芯片都有。簡(jiǎn)單的應(yīng)用只需要普通的幾塊錢(qián)的驅(qū)動(dòng)芯片就可以了，比如：ULN2003A，DRV8834等。但如果要進(jìn)行高精度的控制不僅需要步進(jìn)電機(jī)精度高，驅(qū)動(dòng)器也需要足夠好，在很多工程領(lǐng)域都會(huì)用到專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)更多元的控制效果。

51單片機(jī)控制程序舉例：

步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用

步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度有精確控制要求的場(chǎng)合,如工業(yè)儀器儀表、醫(yī)療儀器、機(jī)器人系統(tǒng)、數(shù)控設(shè)備等。具體應(yīng)用舉例:

• 光驅(qū)：移動(dòng)讀取頭

• 打印機(jī):控制打印位置。

• 倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化機(jī)械手:精確定位搬運(yùn)物品。

• 數(shù)控機(jī)床:確定主軸轉(zhuǎn)位。

通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)和脈沖頻率,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確控制和定位,這是步進(jìn)電機(jī)得以廣泛應(yīng)用的重要原因。在工業(yè)革新的進(jìn)程中學(xué)會(huì)使用步進(jìn)電機(jī)對(duì)于找工作絕對(duì)是有加分的，所以初學(xué)者在熟悉基礎(chǔ)的控制功能之后也再學(xué)習(xí)電機(jī)來(lái)控制原理是有必要的。