本文將為您介紹步進(jìn)電機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)，包括其工作原理、構(gòu)造、控制方法、用途、類型及其優(yōu)缺點(diǎn)。

步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

步進(jìn)電機(jī)是一種通過(guò)步進(jìn)（即以固定的角度移動(dòng)）方式使軸旋轉(zhuǎn)的電機(jī)。其內(nèi)部構(gòu)造使它無(wú)需傳感器，通過(guò)簡(jiǎn)單的步數(shù)計(jì)算即可獲知軸的確切角位置。這種特性使它適用于多種應(yīng)用。

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)。圖1顯示的電機(jī)截面圖，其轉(zhuǎn)子為可變磁阻鐵芯。

步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理為：給一個(gè)或多個(gè)定子相位通電，線圈中通過(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。圖2顯示了其工作原理。首先，線圈A通電并產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子與該磁場(chǎng)對(duì)齊；線圈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。

步進(jìn)電機(jī)的類型與構(gòu)造

步進(jìn)電機(jī)的性能（無(wú)論是分辨率/步距、速度還是扭矩）都受構(gòu)造細(xì)節(jié)的影響，同時(shí)，這些細(xì)節(jié)也可能會(huì)影響電機(jī)的控制方式。實(shí)際上，并非所有步進(jìn)電機(jī)都具有相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（或構(gòu)造），因?yàn)椴煌姍C(jī)的轉(zhuǎn)子和定子配置都不同。

轉(zhuǎn)子

步進(jìn)電機(jī)基本上有三種類型的轉(zhuǎn)子：

• 永磁轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子為永磁體，與定子電路產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)齊。這種轉(zhuǎn)子可以保證良好的扭矩，并具有制動(dòng)扭矩。這意味著，無(wú)論線圈是否通電，電機(jī)都能抵抗（即使不是很強(qiáng)烈）位置的變化。但與其他轉(zhuǎn)子類型相比，其缺點(diǎn)是速度和分辨率都較低。圖3顯示了永磁步進(jìn)電機(jī)的截面圖。

• 可變磁阻轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子由鐵芯制成，其形狀特殊，可以與磁場(chǎng)對(duì)齊（請(qǐng)參見圖1和圖2）。這種轉(zhuǎn)子更容易實(shí)現(xiàn)高速度和高分辨率，但它產(chǎn)生的扭矩通常較低，并且沒有制動(dòng)扭矩。

• 混合式轉(zhuǎn)子：這種轉(zhuǎn)子具有特殊的結(jié)構(gòu)，它是永磁體和可變磁阻轉(zhuǎn)子的混合體。其轉(zhuǎn)子上有兩個(gè)軸向磁化的磁帽，并且磁帽上有交替的小齒。這種配置使電機(jī)同時(shí)具有永磁體和可變磁阻轉(zhuǎn)子的優(yōu)勢(shì)，尤其是具有高分辨率、高速度和大扭矩。當(dāng)然更高的性能要求意味著更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和更高的成本。圖3顯示了這種電機(jī)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化示意圖。線圈A通電后，轉(zhuǎn)子N磁帽的一個(gè)小齒與磁化為S的定子齒對(duì)齊。與此同時(shí)，由于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子S磁帽與磁化為N的定子齒對(duì)齊。盡管步進(jìn)電機(jī)的工作原理是相同的，但實(shí)際電機(jī)的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，齒數(shù)要比圖中所示的更多。大量的齒數(shù)可以使電機(jī)獲得極小的步進(jìn)角度，小至0.9°。

定子

定子是電機(jī)的一部分，負(fù)責(zé)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子與之對(duì)齊的磁場(chǎng)。定子電路的主要特性與其相數(shù)、極對(duì)數(shù)以及導(dǎo)線配置相關(guān)。 相數(shù)是獨(dú)立線圈的數(shù)量，極對(duì)數(shù)則表示每相占用的主要齒對(duì)。兩相步進(jìn)電機(jī)最常用，三相和五相電機(jī)則較少使用（請(qǐng)參見圖5和圖6）。

步進(jìn)電機(jī)的控制

從上文我們知道，電機(jī)線圈需要按特定的順序通電，以產(chǎn)生轉(zhuǎn)子將與之對(duì)齊的磁場(chǎng)?？梢韵蚓€圈提供必要的電壓以使電機(jī)正常運(yùn)行的設(shè)備有以下幾種（從距離電機(jī)更近的設(shè)備開始）：

• 晶體管橋：從物理上控制電機(jī)線圈電氣連接的設(shè)備。晶體管可以看作是電控?cái)嗦菲?，它閉合時(shí)線圈連接到電源，線圈中才有電流通過(guò)。每個(gè)電機(jī)相位都需要一個(gè)晶體管電橋。

• 預(yù)驅(qū)動(dòng)器：控制晶體管激活的設(shè)備，它由MCU控制以提供所需的電壓和電流。

• MCU：通常由電機(jī)用戶編程控制的微控制器單元，它為預(yù)驅(qū)動(dòng)器生成特定信號(hào)以獲得所需的電機(jī)行為。

圖7為步進(jìn)電機(jī)控制方案的簡(jiǎn)單示意圖。預(yù)驅(qū)動(dòng)器和晶體管電橋可以包含在單個(gè)設(shè)備中，即驅(qū)動(dòng)器。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器類型

市面上有各種不同的?步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它們針對(duì)特定應(yīng)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(guān)，最常見的幾種輸入接口包括：

• Step/Direction （步進(jìn)/方向）?–在Step引腳上發(fā)送一個(gè)脈沖，驅(qū)動(dòng)器即改變其輸出使電機(jī)執(zhí)行一次步進(jìn)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向則由Direction引腳上的電平來(lái)決定。

• Phase/Enable（相位/使能）?–對(duì)每相的定子繞組來(lái)說(shuō)，Enable決定該相是否通電， Phase決定該相電流方向，。

• PWM?–?直接控制上下管FET的柵極信號(hào)。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)重要特性是，除了控制繞組兩端的電壓，它是否還可以控制流過(guò)繞組的電流：

• 擁有電壓控制功能，驅(qū)動(dòng)器可以調(diào)節(jié)繞組上的電壓，產(chǎn)生的扭矩和步進(jìn)速度僅取決于電機(jī)和負(fù)載特性。

• 電流控制驅(qū)動(dòng)器更加先進(jìn)，因?yàn)樗鼈兛梢哉{(diào)節(jié)流經(jīng)有源線圈的電流，更好地控制產(chǎn)生的扭矩，從而更好地控制整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。

單極/雙極電機(jī)

另一個(gè)可能對(duì)電機(jī)控制產(chǎn)生影響的特性是其定子線圈的布置，它決定了電流方向的變化方式。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)，不僅要給線圈通電，還要控制電流的方向，而電流方向決定了線圈本身產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向（見圖8）。

步進(jìn)電機(jī)可以通過(guò)兩種不同的方法來(lái)控制電流的方向。

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