【導讀】步進電機是一種通過步進（即以固定的角度移動）方(fang)式(shi)使(shi)軸(zhou)旋(xuan)轉(zhuan)的(de)電(dian)機(ji)。其(qi)內(nei)部(bu)構(gou)造(zao)使(shi)它(ta)無(wu)需(xu)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，通(tong)過(guo)簡(jian)單(dan)的(de)步(bu)數(shu)計(ji)算(suan)即(ji)可(ke)獲(huo)知(zhi)軸(zhou)的(de)確(que)切(qie)角(jiao)位(wei)置(zhi)。這(zhe)種(zhong)特(te)性(xing)使(shi)它(ta)適(shi)用(yong)於(yu)多(duo)種(zhong)應(ying)用(yong)。本(ben)文(wen)將(jiang)為(wei)您(nin)介(jie)紹(shao)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)基(ji)礎(chu)知(zhi)識(shi)
，包(bao)括(kuo)其(qi)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)

、構造、控製方法、用途、類型及其優缺點。

步進電機基礎知識

步進電機是一種通過步進（即以固定的角度移動）方式使軸旋轉的電機。其內部構造使它無需傳感器，通過簡單的步數計算即可獲知軸的確切角位置。這種特性使它適用於多種應用。

步進電機工作原理

與所有電機一樣，步進電機也包括固定部分（定子）和活動部分（轉子）。定子上有纏繞了線圈的齒輪狀突起
，而轉子為 永磁體或可變磁阻鐵芯。稍後我們將更深入地介紹不同的轉子結構。圖1顯示的電機截麵圖，其轉子為可變磁阻鐵芯。

圖1: 步進電機截麵圖

步進電機的基本工作原理為：給一個或多個定子相位通電，線圈中通過的電流會產生磁場，而轉子會與該磁場對齊；依次給不同的相位施加電壓
，轉子將旋轉特定的角度並最終到達需要的位置。圖2顯示了其工作原理。首先，線圈A通電並產生磁場
，轉子與該磁場對齊
；線圈B通電後，轉子順時針旋轉60°以與新的磁場對齊；線圈C通電後也會出現同樣的情況。下圖中定子小齒的顏色指示出定子繞組產生的磁場方向。

圖2: 步進電機的步進

步進電機的類型與構造

步進電機的性能（無論是分辨率/步距、速度還是扭矩）都受構造細節的影響

，同時
，這些細節也可能會影響電機的控製方式。實際上
，並非所有步進電機都具有相同的內部結構（或構造），因為不同電機的轉子和定子配置都不同。

轉子

步進電機基本上有三種類型的轉子：

 •• 永磁轉子：zhuanziweiyongciti，yudingzidianluchanshengdecichangduiqi。zhezhongzhuanzikeyibaozhenglianghaodeniuju，bingjuyouzhidongniuju。zheyiweizhe
，wulunxianquanshifoutongdian，dianjidounengdikang（即使不是很強烈）位置的變化。但與其他轉子類型相比，其缺點是速度和分辨率都較低。圖3顯示了永磁步進電機的截麵圖。

圖3: 永磁步進電機

•• 可變磁阻轉子：轉子由鐵芯製成
，其形狀特殊，可以與磁場對齊（請參見圖1和圖2）。這種轉子更容易實現高速度和高分辨率，但它產生的扭矩通常較低，並且沒有製動扭矩。

•• 混合式轉子：這zhe種zhong轉zhuan子zi具ju有you特te殊shu的de結jie構gou
，它ta是shi永yong磁ci體ti和he可ke變bian磁ci阻zu轉zhuan子zi的de混hun合he體ti。其qi轉zhuan子zi上shang有you兩liang個ge軸zhou向xiang磁ci化hua的de磁ci帽mao，並bing且qie磁ci帽mao上shang有you交jiao替ti的de小xiao齒chi。這zhe種zhong配pei置zhi使shi電dian機ji同tong時shi具ju有you永yong磁ci體ti和he可ke變bian磁ci阻zu轉zhuan子zi的de優you勢shi，尤you其qi是shi具ju有you高gao分fen辨bian率lv、高速度和大扭矩。當然更高的性能要求意味著更複雜的結構和更高的成本。圖3顯示了這種電機結構的簡化示意圖。線圈A通電後

，轉子N磁帽的一個小齒與磁化為S的定子齒對齊。與此同時，由於轉子的結構，轉子S磁帽與磁化為Ndedingzichiduiqi。jinguanbujindianjidegongzuoyuanlishixiangtongde，danshijidianjidejiegougengfuza，chishuyaobituzhongsuoshidegengduo。daliangdechishukeyishidianjihuodejixiaodebujinjiaodu，xiaozhi0.9°。

圖4: 混合式步進電機

定子

定子是電機的一部分
，負責產生轉子與之對齊的磁場。定子電路的主要特性與其相數、極對數以及導線配置相關。 相數是獨立線圈的數量，極對數則表示每相占用的主要齒對。兩相步進電機最常用

，三相和五相電機則較少使用（請參見圖5和圖6）。

圖5: 兩相定子繞組（左）和三相定子繞組（右）

圖6：兩相單極定子（左）和兩相雙極定子（右）。在A +和A-之間施加正電壓時產生的磁場用字母N和S表示。

步進電機的控製

congshangwenwomenzhidao，dianjixianquanxuyaoantedingdeshunxutongdian，yichanshengzhuanzijiangyuzhiduiqidecichang。keyixiangxianquantigongbiyaodedianyayishidianjizhengchangyunxingdeshebeiyouyixiajizhong（從距離電機更近的設備開始）：

●    晶體管橋：從cong物wu理li上shang控kong製zhi電dian機ji線xian圈quan電dian氣qi連lian接jie的de設she備bei。晶jing體ti管guan可ke以yi看kan作zuo是shi電dian控kong斷duan路lu器qi，它ta閉bi合he時shi線xian圈quan連lian接jie到dao電dian源yuan，線xian圈quan中zhong才cai有you電dian流liu通tong過guo。每mei個ge電dian機ji相xiang位wei都dou需xu要yao一yi個ge晶jing體ti管guan電dian橋qiao。

●    預驅動器：控製晶體管激活的設備

，它由MCU控製以提供所需的電壓和電流。

●    MCU：通常由電機用戶編程控製的微控製器單元，它為預驅動器生成特定信號以獲得所需的電機行為。

圖7為步進電機控製方案的簡單示意圖。預驅動器和晶體管電橋可以包含在單個設備中，即驅動器。

圖7: 電機控製基本方案

步進電機驅動器類型

市麵上有各種不同的 步進電機驅動器，它們針對特定應用具有不同的功能。但其最重要的特性之一與輸入接口有關
，最常見的幾種輸入接口包括：

●    Step/Direction （步進/方向） –在Step引腳上發送一個脈衝，驅動器即改變其輸出使電機執行一次步進，轉動方向則由Direction引腳上的電平來決定。

●    Phase/Enable（相位/使能） –對每相的定子繞組來說，Enable決定該相是否通電， Phase決定該相電流方向
，。

●    PWM – 直接控製上下管FET的柵極信號。

步進電機驅動器的另一個重要特性是，除了控製繞組兩端的電壓，它是否還可以控製流過繞組的電流：

●    擁有電壓控製功能，驅動器可以調節繞組上的電壓
，產生的扭矩和步進速度僅取決於電機和負載特性。

●    電流控製驅動器更加先進，因為它們可以調節流經有源線圈的電流，更好地控製產生的扭矩，從而更好地控製整個係統的動態行為。

單極/雙極電機

另ling一yi個ge可ke能neng對dui電dian機ji控kong製zhi產chan生sheng影ying響xiang的de特te性xing是shi其qi定ding子zi線xian圈quan的de布bu置zhi，它ta決jue定ding了le電dian流liu方fang向xiang的de變bian化hua方fang式shi。為wei了le實shi現xian轉zhuan子zi的de運yun動dong，不bu僅jin要yao給gei線xian圈quan通tong電dian，還hai要yao控kong製zhi電dian流liu的de方fang向xiang，而er電dian流liu方fang向xiang決jue定ding了le線xian圈quan本ben身shen產chan生sheng的de磁ci場chang方fang向xiang（見圖8）。

步進電機可以通過兩種不同的方法來控製電流的方向。

圖8: 根據線圈電流方向控製磁場方向

在單極步進電機中
，線圈的中心點連有一根引線（請參見圖9）
，這樣可以通過相對簡單的電路和組件來控製電流方向。該中央引線（AM）連接輸入電壓VIN（見圖8）。如果MOSFET 1導通
，則電流從AM流向A +。如果MOSFET 2導通，則電流從AM流向A-，在相反方向上產生磁場。如上所述，這種方法可以簡化驅動電路（僅需要兩個半導體），但缺點是一次僅使用了電機中銅導體的一半，這意味著如果線圈中流過相同的電流
，則磁場強度僅為使用全部銅導體時的一半。另外，由於電機輸入引線更多，這類電機較難構造。

圖9: 單極步進電機驅動電路

在雙極步進電機中，每個線圈隻有兩條引線，而且為了控製方向
，必須使用H橋（請參見圖10）。如圖8所示，如果MOSFET 1和4導通，則電流從A +流向A-；如果MOSFET 2和3導通，則電流從A-流向A +，產生相反方向的磁場。這種方案需要更複雜的驅動電路，但可以最大限度利用電機銅量而實現最大扭矩。

圖10: 雙極步進電機驅動電路

隨著技術的不斷進步，單極電機的優勢逐步弱化，雙極步進電機成為目前最流行的電機類型。

步進電機驅動技術

步進電機主要有四種不同的驅動技術：

 •• 波動模式：一次僅一個相位通電（見圖11）。為簡單起見，如果電流從某相的正引線流向負引線（例如，從A +到A-），則我們稱為正向流動；否則
，稱為負向流動。從下圖左側開始，電流僅在A相中正向流動，而用磁體代表的轉子與其所產生的磁場對齊。接著，電流僅在B相中正向流動，轉子順時針旋轉90°以與B相產生的磁場對齊。隨後，A相再次通電
，但電流負向流動 ，轉子再次旋轉90°。 最後
，電流在B相中負向流動
，而轉子再次旋轉90°。

圖11: 波動模式步進

●    全步模式：兩相始終同時通電。圖12xianshilegaiqudongmoshidebujinbuzhou。qibuzhouyubodongmoshileisi
，zuidadequbiezaiyu
，quanbumoshixia，youyudianjizhongliudongdedianliugengduo，chanshengdecichangyegengqiang，yinciniujuyegengda。

圖12: 全步模式步進

●    半步模式是波動模式和全步模式的組合（請參見圖12）。這種模式可以將步距減小一倍（旋轉45°，而不是90°）。其唯一的缺點是電機產生的扭矩不是恒定的，當兩相都通電時扭矩較高

，隻有一相通電時扭矩較小。

圖13: 半步模式步進

•• 微步模式：keyikanzuoshibanbumoshidezengqiangban，yinweitakeyijinyibujianxiaobuju，bingqiejuyouhengdingdeniujushuchu。zheshitongguokongzhimeixiangliuguodedianliuqiangdulaishixiande。yuqitafanganxiangbi，weibumoshixuyaogengfuzadedianjiqudongqi。tu14顯示了微步模式的工作原理。假設IMAX是一個相位中可以通過的最大電流，則從圖中左側開始，在第一個圖中IA = IMAX，IB = 0。下一步，控製電流以達到IA = 0.92 x IMAX，IB = 0.38 x IMAX
，它產生的磁場與前一個磁場相比順時針旋轉了22.5°。控製電流達到不同的電流值並重複此步驟，將磁場旋轉45°

、67.5°和90°。與半步模式相比，它將步距減少了一半；danhaikeyijianshaogengduo。shiyongweibumoshikeyidadaofeichanggaodeweizhifenbianlv
，danqidaijiashixuyaogengfuzadeshebeilaikongzhidianji，bingqiemeicibujinchanshengdeniujuyegengxiao。niujuyudingzicichanghezhuanzicichangzhijiandejiajiaozhengxianchengzhengbi；因此

，當步距較小時
，扭矩也較小。這有可能會導致丟步
，也就是說，即使定子繞組中的電流發生了變化，轉子的位置也可能不改變。

圖14: 微步模式步進

步進電機的優缺點

現在我們已了解了步進電機的工作原理，再總結一下各類電機的優缺點將非常有幫助。

優點：

●    得益於其內部結構
，步進電機不需要傳感器來檢測電機位置。步進電機是通過執行“步進”來運動的，因此隻需簡單地計算步數就可以獲得給定時間的電機位置。

●    ciwai
，bujindianjidekongzhifeichangjiandan。tayexuyaoqudongqi，danbuxuyaofuzadejisuanhuotiaozhengjikezhengchanggongzuo。yuqitadianjixiangbi，qikongzhigongzuoliangtongchanghenxiao。erqie，ruguocaiyongweibumoshi，haikeyishixiangaoda0.007°的位置精度。

●    步進電機在低速時可提供良好的扭矩，也可以很好的保持位置，而且使用壽命長。

缺點：

•• 當負載扭矩過高時可能會失步。由於無法獲知電機的實際位置，因此會對控製產生負麵影響。采用微步模式時更易產生此問題。

•• 步進電機即使在靜止時也總是消耗最大電流，因此會降低效率並可能導致過熱。

•• 步進電機扭矩小，在高速下會產生很大的噪音。

•• 步進電機具有低功率密度和低扭矩慣性比。

總而言之，當您需要成本低廉、易於控製的解決方案
，且對高速時的效率和扭矩要求不高時
，步進電機是最好的選擇。

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步進電機的用途和應用

打印機：打印頭
、進紙、掃描條

3D打印機：XY軸工作台驅動器、介質驅動器

機器人：機械臂、末端執行件

單反相機：光圈/焦距調節

攝像頭：平移
、傾斜、變焦
、聚焦

雕刻機：XY二維工作台運動控製

自動櫃員機：紙幣移動
、托盤升降機

來源：MPS，作者：Carmine Fiore

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