步進電機結(jié)構及原理介紹

二相混合式步進電機是一種混合式電機 [1] 。二相混合式步進電機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。常見的定子有8個極或4個極，極面上均勻分布一定數(shù)量的小齒;極上線圈能以兩個方向通電。它的轉(zhuǎn)子也由圓周上均布一定數(shù)量小齒的兩塊齒片等組成。這兩塊齒片相互錯開半個齒距。兩塊齒片中間夾有一只軸向充磁的環(huán)形永久磁鋼。顯然，同一段轉(zhuǎn)子片上的所有齒都具有相同極性，而兩塊不同段的轉(zhuǎn)子片的極性相反。

混合式步進電動機內(nèi)部結(jié)構特殊，是一類高度非線性的機電裝置。 1986年Hanselman采用磁場的“磁網(wǎng)絡單元法”來計算反應式步進電機的磁場。1988年，G Heine提出了精確的混合式步進電機的等值磁網(wǎng)絡模型，首次在模型中考慮了定子極間漏磁通，每極邊緣轉(zhuǎn)矩對電機矩角特性及步距誤差的影響，分析了四相混合式步進電機諧波轉(zhuǎn)矩對電機矩角特性及步距誤差的影響，但是這種模型耗費的機時量仍然很大 。

為簡化數(shù)學分析， 沿用G.Heine提出的混合式步進電機等值磁網(wǎng)絡模型，以典型的二相八極混合式步進電動機，忽略鐵心飽和和高次諧波對電機磁系統(tǒng)的影響 (鐵心飽和和高次諧波往往是步進電機極限運行時的狀況，正常運行時，不會對定性分析的結(jié)論有原則性的影響)，建立了分析細分驅(qū)動的簡化基本數(shù)學模型。

混合式步進電動機繞組電感參數(shù)的特點與普通電機有區(qū)別，具有軸向和徑向混合的磁系統(tǒng)，定轉(zhuǎn)子雙凸結(jié)構。在二相混合式步進電機磁網(wǎng)絡模型簡化磁路圖中，定子八個極中在直徑上相對的兩個極的電磁狀態(tài)完全相同，可以合并。這樣電機的每一端只有4條支路。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自戴化設備中。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。當步進驅(qū)私器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進申機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(即步進角)?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。

工業(yè)控制中采用的定子磁極上帶有小齒，轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多的結(jié)構，其步距角可以做得很小。圖2混合式步進電機繞組接線圖中A,B兩相繞組沿徑向分相，沿著定子圓周有8個凸出的磁極，1,3,5,7磁極屬于A相繞組，2, 4, 6, 8磁極屬于B相繞組，定子侮個極面上有5個齒，極身上有控制繞組。轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鋼和兩段鐵芯組成，環(huán)形磁鋼在轉(zhuǎn)子中部，軸向充磁，兩段鐵芯分別裝在磁鋼的兩端，使得轉(zhuǎn)子軸向分為兩個磁極。轉(zhuǎn)子鐵芯上均勻分布50個齒，兩段鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距，定轉(zhuǎn)子的齒距和齒寬相同 [1] 。

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件，通過控制施加在電機線圈上的電脈沖順序、頻率和數(shù)量，可以實現(xiàn)對步進電機的轉(zhuǎn)向、速度和旋轉(zhuǎn)角度的控制。配合以直線運動執(zhí)行機構或齒輪箱裝置，更可以實現(xiàn)更加復雜、精密的線性運動控制要求。步進電機一般由前后端蓋、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)炔糠謽嫵桑竭M電機也叫步進器，它利用電磁學原理，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，是由纏繞在電機定子齒槽上的線圈驅(qū)動的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機中，繞在定子齒槽上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。

步進電機(stepper motor)是一種是將電脈電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的控制元件。簡單的說，你給步進電機一個脈沖電流信號，它就會轉(zhuǎn)動一個角度，所以具有定位精度高的特點。

普通的直流或交流電機只要施加合適的電壓就能夠使其轉(zhuǎn)動，斷電即可使其停止轉(zhuǎn)動，控制起來雖然很方便，但有些時候，我們需要很精確地控制轉(zhuǎn)動的角度，以便實現(xiàn)一些高精度的定位操作。例如DVD播放器或硬盤控制讀盤時，打印機控制打字位置時，監(jiān)控器控制轉(zhuǎn)向時，數(shù)控機床進行定位時，機器人控制動作時等等，普通的電機很難滿足這種需求，而步機電機就可以。從名稱也可以看出，步進電機就是“按步前進”的電機，一次只會旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，每旋轉(zhuǎn)一次可稱為1拍，而每拍旋轉(zhuǎn)的角度可稱為步距角。

為了進一步理解步進電機的硬件驅(qū)動電路設計，我們先來了解一下它的基本結(jié)構。最簡單的步進電機如下圖所示

可以看到，步進電機與所有電機一樣分為定子(stator)與轉(zhuǎn)子(rotor)，在定子周圍均勻分布的齒槽上纏繞的那些線圈(coil)，我們可以稱為繞組或相，這些繞組按對進行排列，其中繞組A與A’形成一對，繞組B與B’形成一對。而轉(zhuǎn)子則是一塊能夠繞中心任意旋轉(zhuǎn)的永磁鐵，它有N與S兩極。由于定子上存在兩個繞組，而轉(zhuǎn)子上存在兩個磁極，所以我們也可以稱其為雙相雙極電機。繞組注入一定電流時就會產(chǎn)生一定的磁場，它也有N與S兩極，從不同繞組注入電流就可以改變磁場的極性，從而能夠?qū)τ来盆F轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不同方向的吸力，這是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的基本原理。

下面我們具體來看看轉(zhuǎn)子是怎么旋轉(zhuǎn)的。假設電流從繞組A注入再從繞組A’流出，則兩個繞組都會產(chǎn)生一定的磁場。根據(jù)右手定則，線圈A與線圈A’產(chǎn)生的磁場方向均為上N下S，再根據(jù)“同名相斥、異名相吸”的基本原理，永磁鐵的N極會被繞組A產(chǎn)生的磁場S極吸過來，與此同時，永磁鐵的S極會被繞組A’產(chǎn)生的磁場N極吸過來，它們的吸力是同時產(chǎn)生的，也就引起轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)90o，如下圖所示(以轉(zhuǎn)子中紅色N極為參考基準)

驅(qū)動電路設計上只需要四個電子開關。在雙極性驅(qū)動模式下，因為每相的繞組線圈為100%勵磁，所以雙極性驅(qū)動模式下電機的輸出力矩比單極性驅(qū)動模式下提高了約40%。

步進電機的特性

1、 精準的位置控制

依照輸入脈沖的數(shù)量，確定軸轉(zhuǎn)動的角度。位置誤差非常小(小于1/10度)，且不累積。

2、精確的轉(zhuǎn)速

步進電機的轉(zhuǎn)速取決于輸入電脈沖的頻率，可以實現(xiàn)精確控制和方便調(diào)節(jié)。因此被廣泛地應用于各種運動控制領域。

3、 正向/反向轉(zhuǎn)動，急停及鎖定功能

在整個速度范圍內(nèi)都可以實現(xiàn)對電機力矩和位置的有效控制，包括靜力矩。在電機鎖定狀態(tài)下(電機繞組中存在電流，而外部沒有旋轉(zhuǎn)的脈沖指令輸入)，仍然保持一定的力矩輸出。

4、 低轉(zhuǎn)速條件下的精準位置控制

步進電機不需要借助齒輪箱的調(diào)節(jié)，就可以在非常低的轉(zhuǎn)速下平穩(wěn)運行，同時輸出較大的力矩，避免了功率的損耗和角度位置偏差，同時降低了成本，節(jié)省了空間。

5、 更長的使用壽命

步進電機的無電刷設計保證了電機的使用壽命很長。步進電機的壽命通常取決于軸承。

振動與噪音

一般來講，步進電機在空載運行情況下，當電機的運行頻率接近或等于電機轉(zhuǎn)子的固有頻率時會發(fā)生共振， 嚴重的會發(fā)生失步現(xiàn)象。