步进电机基础:类型，用途，和工作原理

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Carmine Fiore.

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在本文中，我们将涵盖步进电机的基础知识。您将了解步进电机的工作原理，施工，控制方法，使用和类型，以及其优缺点。

步进电机基础知识

步进电机是一种电动机，其主要特征是其轴通过执行步骤而旋转，即通过通过固定量的程度移动。由于电动机的内部结构获得了该特征，并且通过简单地计算已经执行步骤，允许通过执行步骤来了解轴的精确角位置，不需要传感器。此功能还使其适合各种应用。188比分直播吧

步进电机工作原理

与电动机一样，步进电机具有固定部分（定子）和移动部件（转子）。在定子上，有线圈的牙齿有线，而转子是a永久磁铁或者是可变磁阻铁芯。稍后我们将深入探讨不同的旋翼结构。图1示出了表示电动机部分的绘图，其中转子是可变磁阻的铁芯。

图1:一个步进电机的截面

步进电机的基本工作原理如下:通过激励一个或多个定子相位，一个磁场产生的电流流动在线圈和转子与这个磁场。通过提供不同的阶段在顺序，转子可以旋转的特定数量，以达到期望的最终位置。图2显示了工作原理的表示。在开始时，线圈A通电，转子与其产生的磁场对齐。当线圈B通电时，转子旋转顺时针方向60°与新磁场对齐。当线圈C通电时，同样发生。在图片中，定子齿的颜色表示由定子绕组产生的磁场的方向。

图2:步进电机步骤

步进电机的类型和结构

步进电机的性能-在分辨率(或步长)，速度和扭矩方面- - - - - -受施工细节的影响，同时也可能影响如何控制电机。事实上，并非所有步进电机都具有相同的内部结构（或构造），因为有不同的转子和定子配置。

转子

对于步进电机来说，转子基本上有三种类型:

永磁转子：转子是永磁体，其与由定子电路产生的磁场对准。该解决方案保证了良好的扭矩和制动扭矩。这意味着电机将抵抗，即使不是很强烈，无论线圈是否被激励，就会变化。与其他类型相比，该解决方案的缺点是它具有较低的速度和较低的分辨率。图3显示了一个永磁体步进电机的一个部分的代表。

图3:永磁步进电机

可变磁阻转子：转子由铁芯制成，具有特定形状，使其允许与磁场对齐（参见图1和图2)。通过这种解决方案，更容易达到更高的速度和分辨率，但是它发育的扭矩通常会较低，并且它没有制动扭矩。
混合转子：这种转子具有特定结构，并且是永磁体和可变磁阻版本之间的混合。转子具有两个具有交流齿的盖子，并且轴向磁化。该配置允许电动机具有永磁体和可变磁阻版本，特别是高分辨率，速度和扭矩的优点。这种更高的性能需要更复杂的结构，因此成本更高。图3示出了该电动机结构的简化示例。当线圈A通电时，N-磁化帽的齿与定子的S磁化齿对齐。同时，由于转子结构，S磁化的齿与定子的n磁化齿对准。真正的电动机具有更复杂的结构，齿数量比图片中所示的齿数更高，尽管步进电机的工作原理是相同的。大量齿允许电机实现小的台阶尺寸，低至0.9°。

图4：混合步进电机

定子

定子是电动机的一部分，其负责制造转子将对准的磁场。定子电路的主要特性包括其数量和磁极对，以及线材配置。阶段的数量是独立线圈的数量，而极对的数量指示每个阶段如何占用牙齿对。两相步进电机是最常用的，三相和五相电动机不太常见（见图5和图6)。

图5:定子两相绕组(左)，定子三相绕组(右)

两相，一个杆对定子（左），两相，两个杆对定子（右）。字母显示在+和a之间施加正电压时产生的磁场

图6:两相单极子对定子(左)和两相偶极子对定子(右)。这两个字母表示在A+和A-之间施加正电压时产生的磁场。

步进电机控制

我们以前已经看到，电机线圈需要在一个特定的顺序，以产生磁场与转子将对齐。几个装置被用来给线圈提供必要的电压，从而使电机正常工作。从离电机较近的设备开始:

晶体管桥是控制电机线圈电气连接的物理装置。晶体管可以看作是电控中断器，当关闭时，允许线圈与电源的连接，从而使电流在线圈中流动。每个电机相需要一个晶体管桥。
预驱动器是控制晶体管的激活的设备，提供所需的电压和电流，反过来由MCU控制。
MCU是微控制器单元，其通常由电动机用户编程，并为预驱动器产生特定信号以获得所需的电动机行为。

图7显示了步进电机控制方案的简单表示。预驱动器和晶体管桥可以包含在一个设备中，称为a司机。

图7：电机控制基本方案

步进电机驱动器类型

有不同的步进电机司机可在市场上提供，展示特定应用程序的不同功能。188比分直播吧最重要的Charactrerictics包括输入界面。最常见的选择是：

步骤/方向- 通过在步进引脚上发送脉冲，驱动器改变其输出，使得电动机将执行步骤，其方向由方向引脚上的电平确定。
阶段/使能- - - - - -F或每一定子绕组相，相位决定电流方向，如果该相通电则触发使能。
PWM.- - - - - -直接控制低侧和高侧fet的栅极信号。

步进电机驱动器的另一个重要特点是，如果它只是能够控制绕组上的电压，或者也是流过它的电流：

通过电压控制，驾驶员仅调节绕组的电压。产生的扭矩和执行步骤的速度仅取决于电机和负载特性。
电流控制驱动器更先进，因为它们调节流过有源线圈的电流，以便更好地控制产生的扭矩，从而更好地控制整个系统的动态行为。

单极或双极电机

电机的另一个影响控制的特性是决定电流方向如何改变的定子线圈的安排。要实现转子的运动，不仅要给线圈通电，还要控制电流的方向，这决定了线圈本身产生的磁场的方向(见图8)。

在步进电机中，控制当前方向的问题用两种不同的方法解决了。

图8：磁场的方向基于线圈电流的方向

在单极步进电机，其中一个引线连接到线圈的中心点(见图9)。这允许使用相对简单的电路和组件来控制电流的方向。中央铅（a_米)连接到输入电压V._在（看图8)。如果MOSFET 1处于活动状态，则电流从A流出_米+。如果MOSFET 2是有源的，电流从A流过_米到a-，在相反方向上产生磁场。如上所述，这种方法允许更简单的驱动电路（仅需要两个半导体），但缺点是一次仅使用电机中使用的铜的一半，这意味着对于在线圈中流动的相同电流。当使用所有铜时，磁场具有比较的一半强度。此外，这些电动机更难以构造，因为更多的引线必须可用作电机输入。

图9：单极步进电机驱动电路

在双极步进电机，每个线圈只有两个引线可用，并控制方向使用H-Bridge（参见图10)。如图所示图8，如果mosfet 1和4是有源的，电流从A+流向A-，而如果mosfet 2和3是有源的，电流从A-流向A+，产生一个相反方向的磁场。这种解决方案需要一个更复杂的驱动电路，但允许电机实现最大扭矩的铜的数量，所使用的。

图10:双极步进电机驱动电路

随着技术的进步，单极的优势变得越来越不重要双极地步器目前最受欢迎。

步进电机驱动技术

步进电机有四种不同的驱动技术：

在波模式，一次只有一个相通电(见图11)。为简单起见，我们会说，如果它从+导致相位的导向（例如a +至a-），则电流在正方向上流动;否则，方向是否定的。从左开始，电流仅在正方向上的相位上流动，并且由磁体表示的转子与由其产生的磁场对齐。在下一步中，它仅在正方向上的相位B中流动，转子顺时针旋转90°以与由相B产生的磁场对准。稍后，相A再次通电，但是电流在负方向上流动，转子再次旋转90°。在最后一步中，电流在相位B中产生负面流动，转子再次旋转90°。

图11：波模式步骤

在专门的模式，两阶段始终同时为通电。图12示出了该驱动模式的不同步骤。这些步骤类似于波模式，最显着的差异是在这种模式下，电动机能够产生更高的扭矩，因为更多的电流在电动机中流动并且产生更强的磁场。

图12：全步骤模式步骤

半步模式是波和全步模式的组合（见图12)。使用这种组合可以将步长减少一半(在这种情况下，是45°而不是90°)。唯一的缺点是电机产生的转矩不是恒定的，因为当两相通电时它更高，当只有一相通电时它更弱。

图13:半步模式步骤

microstepping.可以被视为进一步增强半步模式，因为它允许进一步降低阶梯尺寸并具有恒定的扭矩输出。这是通过控制在每个阶段流动的电流的强度来实现的。与以前的解决方案相比，使用此模式需要更复杂的电机驱动器。图14显示微步是如何工作的。如果我_最大限度是可以在阶段开始流动的最大电流，从左侧开始，在第一图I中_一个= I._最大限度和我_B= 0。在下一步，控制电流，以实现I_一个= 0.92 x i_最大限度和我_B= 0.38 x i_最大限度，它产生磁场，该磁场与前一个相比，顺时针旋转22.5°。使用不同电流值重复该步骤以达到45°，67.5°和90°位置。与半步模式相比，这提供了减少步骤的一半大小的能力;但是可以进一步走。使用Microstepping有助于达到非常高的位置分辨率，但这种优势以更复杂的设备来控制电机的成本，以及每个步骤产生的较小扭矩。实际上，扭矩与定子磁场和转子磁场之间的角度的正弦成比例;因此，当步骤较小时，扭矩较小。这可能导致缺少一些步骤，这意味着即使定子绕组中的电流也没有改变转子位置。

图14：Microstepping

步进电机的优点和缺点

既然我们了解步进电机的工作原则，与其他电机类型相比，将其优点和缺点总结为综合性。

好处

由于其内部结构，步进电机不需要传感器来检测电机位置。由于电机通过简单地计算这些步骤来通过执行“步骤”来移动，因此您可以在给定时间获得电机位置。
此外，步进电机控制很简单。电机确实需要一个驱动程序，但不需要复杂的计算或调整正常工作。通常，与其他电动机相比，控制努力较低。使用MicroStepping，您可以达到高位置精度，高达约0.007°。
步进电机以低速提供良好的扭矩，非常适合保持位置，也倾向于具有较长的寿命。