步进电机工作原理

首先介绍：

1）什么是步进电机；

2）与步进电机相关的一些基本概念；

3）步进电机的分类与结构；

4）步进电机的特点；

1.1、什么是步进电机

步进电机是一种基于电磁感应原理、把电脉冲信号转换为角位移或线位移的开环控制电机，是工业控制系统中一种常见的执行机构（注：工业控制系统由控制器、控制元件、传感器及执行机构组成）。

步进电机的内部由转子和定子组成，下面这张图是一个两相步进电机的外观图：

1.2、步进电机相关的基本概念

1.2.1、相数：是指步进电机定子绕组的组数（即内部线圈的个数）。常见的有两相、三相、四相、五相步进电机；

1.2.2、步距角：步进电机接收一个脉冲信号后所转过的角度，步距角在电机出厂时已经确定，会写在电机上。一般两相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相电机的步距角为0.75°/1.5°，五相电机的步距角为0.36°/0.72°；如果不使用细分驱动器，只能靠选择不同步距角的步进电机来满足控制要求。细分驱动器可以改变步进电机的步距角，这个我们将在第二节《认识步进驱动器》中介绍；

1.2.3 、保持转矩（holding torque）：是指步进电机绕组通电且转子没有转动时，使电机能够移动完整的一步所需要的扭矩。保持转矩主要受电机绕组所允许的最大电流限制，通常大于运行转矩（running torque）。保持转矩是步进电机最重要的参数之一，它的优点在于可以使负载保持在某个位置。在不特别指明的情况下，通常说的步进电机的转矩就是指保持转矩。比如，某步进电机的转矩为3.5NM，就是指其保持扭矩为3.5NM；

1.2.4、阻尼转矩（detent torque）：是指步进电机绕组在不通电的情况下，由其本身的机械特性（永磁性结构）所产生的转矩。在不通电的情况下，用手去转动转子可以感受到阻尼转矩；

1.3、步进电机的分类与结构

步进电机的内部由转子（rotor）和定子（stator）组成。

当定子线圈通电时，会产生感应磁场，感应磁场与转子相互作用使转子转过一定的角度。

根据励磁方式的不同，步进电机可分为：永磁式、反应式（磁阻式）和混合式三种。

1.3.1、永磁式（permanent magnet stepper motor）

永磁式步进电机的转子（rotor）是一种永磁性的、柱状结构，具有N极和S极；定子是具有对称结构的励磁线圈；当定子线圈通入直流电后，根据安培右手定律，线圈的两端会产生磁场；定子产生的磁场与转子的永磁性材料相互作用从而使转子转动。通过给定子绕组交替通电，就能控制转子按照某个方向交替运动；

永磁式步进电机的定子/转子结构如下图所示：

1.3.2、反应式（variable reluctance stepper motor）

反应式步进电机也称为磁阻式步进电机，其转子是一个非磁性的、软铁性质的、齿状结构；其定子由励磁线圈组成；由于转子是非磁性结构，因此在定子没有通电之前，定子与转子之间没有任何磁性相互作用。因此，反应式步进电机没有阻尼转矩（detent torque）。

反应式步进电机内部结构示意图如下：

1.3.3、混合式（hybrid stepper motor）

顾名思义，混合式步进电机结合了永磁式和反应式步进电机的优点，它的转子采用永磁性材料，并且将其分成南极（S极）和北极（N极）两个部分，每个部分又有很多的齿状结构，如下图所示：

混合式步进电机的定子由励磁线圈组成，每一组线圈下面也具有交替分布的齿状结构。如下图所示：

混合式步进电机的步距角小、动态性能好，是使用最广泛的步进电机。下面这张图是混合式步进电机的转子和定子实物图：

1.4、步进电机的特点

步进电机结构简单、使用方便、没有积累误差、只需要脉冲信号就能进行工作，因此既可以使用PLC进行控制，也可以使用单片机等能产生脉冲信号的装置进行控制，在工业自动化控制中使用非常广泛。

不过其噪音和震动较大，并且可能会出现失步的情况，因此只适合于精度要求不高的场合。

另外步进电机的位置和速度信号不能反馈给控制系统，一般只能用于开环控制。如果要构成闭环控制系统，需要在运动轴上增加编码器等信号反馈装置。