步進(jìn)電機(jī)工作原理是什么？

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件，通過控制施加在電機(jī)線圈上的電脈沖順序、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管，而在電機(jī)中，繞在定子齒槽上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。

當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

通常見到的各類電機(jī)，內(nèi)部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會(huì)產(chǎn)生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說的銅損，如果電流不是標(biāo)準(zhǔn)的直流或正弦波，還會(huì)產(chǎn)生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應(yīng)，在交變磁場(chǎng)中也會(huì)產(chǎn)生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關(guān)，這叫鐵損。

銅損和鐵損都會(huì)以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來，從而影響電機(jī)的效率。步進(jìn)電機(jī)一般追求定位精度和力矩輸出，效率比較低，電流一般比較大，且諧波成分高，電流交變的頻率也隨轉(zhuǎn)速而變化，因而步進(jìn)電機(jī)普遍存在發(fā)熱情況，且情況比一般交流電機(jī)嚴(yán)重。

電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。

永磁步進(jìn)電機(jī)包括一個(gè)永磁轉(zhuǎn)子、線圈繞組和導(dǎo)磁定子。激勵(lì)一個(gè)線圈繞組將產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，分為北極和南極，見圖1所示。定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到與定子磁場(chǎng)對(duì)直。通過改變定子線圈的通電順序可使電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖2顯示了一個(gè)兩相電機(jī)的典型的步進(jìn)順序。在第1步中，兩相定子的A相通電，因異性相吸，其磁場(chǎng)將轉(zhuǎn)子固定在圖示位置。當(dāng)A相關(guān)閉、B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。在第3步中，B相關(guān)閉、A相通電，但極性與第1步相反，這促使轉(zhuǎn)子再次旋轉(zhuǎn)90°。在第4步中，A相關(guān)閉、B相通電，極性與第2步相反。重復(fù)該順序促使轉(zhuǎn)子按90°的步距角順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖2中顯示的步進(jìn)順序稱為“單相激勵(lì)”步進(jìn)。更常用的步進(jìn)方法是“雙相激勵(lì)”，其中電機(jī)的兩相一直通電。但是，一次只能轉(zhuǎn)換一相的極性，見圖3所示。兩相步進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)子與定子兩相之間的軸線處對(duì)直。由于兩相一直通電，本方法比“單相通電”步進(jìn)多提供了41.1%的力矩，但輸入功率卻為2倍。

半步步進(jìn)電機(jī)也可在轉(zhuǎn)換相位之間插入一個(gè)關(guān)閉狀態(tài)而走“半步”。這將步進(jìn)電機(jī)的整個(gè)步距角一分為二。例如，一個(gè)90°的步進(jìn)電機(jī)將每半步移動(dòng)45°，見圖4。但是，與“兩相通電”相比，半步進(jìn)通常導(dǎo)致15%～30%的力矩?fù)p失（取決于步進(jìn)速率）。在每交換半步的過程中，由于其中一個(gè)繞組沒有通電，所以作用在轉(zhuǎn)子上的電磁力要小，造成了力矩的凈損失。

雙極性繞組

雙相激勵(lì)介紹了利用一種“雙極性線圈繞組”的方法。每相用一個(gè)繞組，通過將繞組中電流反向，電磁極性被反向。典型的兩相雙極驅(qū)動(dòng)的輸出步驟在電氣原理圖和圖5中的步進(jìn)順序中進(jìn)一步闡述。按圖所示，轉(zhuǎn)換只利用繞組簡(jiǎn)單地改變電流的方向，就能改變?cè)摻M的極性。

單極性繞組

另一常用繞組是單極性繞組。其一個(gè)電極上有兩個(gè)繞組，這種聯(lián)接方式為當(dāng)一個(gè)繞組通電時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)北極磁場(chǎng)；另一個(gè)繞組通電，則產(chǎn)生一個(gè)南極磁場(chǎng)。因?yàn)閺尿?qū)動(dòng)器到線圈的電流不會(huì)反向，所以可稱其為單極繞組。該步進(jìn)順序見圖6所示。該設(shè)計(jì)使得電子驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)單化。但是，與雙極性繞組相比，其力矩大約少30%，因?yàn)閯?lì)磁線圈僅被利用了一半。

四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。

單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖2.a、b、c所示：

用達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)四相步進(jìn)電機(jī)舉例：（兩相步進(jìn)電機(jī)多采用H橋驅(qū)動(dòng)，如L298N和L293D芯片）