步進電機工作原理是什么？

步進電機是將電脈沖信號轉變?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)對步進電機的轉向、速度和旋轉角度的控制。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、轉子鐵芯、定子鐵芯、定子組件、波紋墊圈、螺釘?shù)炔糠謽嫵?，步進電機也叫步進器，它利用電磁學原理，將電能轉換為機械能，是由纏繞在電機定子齒槽上的線圈驅動的。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。

當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉子旋轉一角度，使得轉子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉一個角度。轉子也隨著該磁場轉一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉動。

通常見到的各類電機，內(nèi)部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會產(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，如果電流不是標準的直流或正弦波，還會產(chǎn)生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應，在交變磁場中也會產(chǎn)生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關，這叫鐵損。

銅損和鐵損都會以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來，從而影響電機的效率。步進電機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速而變化，因而步進電機普遍存在發(fā)熱情況，且情況比一般交流電機嚴重。

電機將電能轉換成機械能，步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。

永磁步進電機包括一個永磁轉子、線圈繞組和導磁定子。激勵一個線圈繞組將產(chǎn)生一個電磁場，分為北極和南極，見圖1所示。定子產(chǎn)生的磁場使轉子轉動到與定子磁場對直。通過改變定子線圈的通電順序可使電機轉子產(chǎn)生連續(xù)的旋轉運動。

圖2顯示了一個兩相電機的典型的步進順序。在第1步中，兩相定子的A相通電，因異性相吸，其磁場將轉子固定在圖示位置。當A相關閉、B相通電時，轉子順時針旋轉90°。在第3步中，B相關閉、A相通電，但極性與第1步相反，這促使轉子再次旋轉90°。在第4步中，A相關閉、B相通電，極性與第2步相反。重復該順序促使轉子按90°的步距角順時針旋轉。

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

半步步進電機也可在轉換相位之間插入一個關閉狀態(tài)而走“半步”。這將步進電機的整個步距角一分為二。例如，一個90°的步進電機將每半步移動45°，見圖4。但是，與“兩相通電”相比，半步進通常導致15%～30%的力矩損失（取決于步進速率）。在每交換半步的過程中，由于其中一個繞組沒有通電，所以作用在轉子上的電磁力要小，造成了力矩的凈損失。

雙極性繞組

雙相激勵介紹了利用一種“雙極性線圈繞組”的方法。每相用一個繞組，通過將繞組中電流反向，電磁極性被反向。典型的兩相雙極驅動的輸出步驟在電氣原理圖和圖5中的步進順序中進一步闡述。按圖所示，轉換只利用繞組簡單地改變電流的方向，就能改變該組的極性。

單極性繞組

另一常用繞組是單極性繞組。其一個電極上有兩個繞組，這種聯(lián)接方式為當一個繞組通電時，產(chǎn)生一個北極磁場；另一個繞組通電，則產(chǎn)生一個南極磁場。因為從驅動器到線圈的電流不會反向，所以可稱其為單極繞組。該步進順序見圖6所示。該設計使得電子驅動器簡單化。但是，與雙極性繞組相比，其力矩大約少30%，因為勵磁線圈僅被利用了一半。

四相步進電機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，但單四拍的轉動力矩小。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動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序與波形分別如圖2.a、b、c所示：

用達林頓管驅動四相步進電機舉例：（兩相步進電機多采用H橋驅動，如L298N和L293D芯片）