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步進電機結構及工作原理
步進電機結構及工作原理
更新时间:2025-04-03 09:17:55

步進電機(stepper motor)是一種是将電脈電流信号轉變為角位移或線位移的控制元件。簡單的說,你給步進電機一個脈沖電流信号,它就會轉動一個角度,所以具有定位精度高的特點。

普通的直流或交流電機隻要施加合适的電壓就能夠使其轉動,斷電即可使其停止轉動,控制起來雖然很方便,但有些時候,我們需要很精确地控制轉動的角度,以便實現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,監控器控制轉向時,數控機床進行定位時,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,一次隻會旋轉一個固定的角度,每旋轉一次可稱為1拍,而每拍旋轉的角度可稱為步距角

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

步進電機結構及工作原理(史上最詳細講解各種步進電機的基本結構與工作原理)1

可以看到,步進電機與所有電機一樣分為定子(stator)與轉子(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。而轉子則是一塊能夠繞中心任意旋轉的永磁鐵,它有N與S兩極。由于定子上存在兩個繞組,而轉子上存在兩個磁極,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産生一定的磁場,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,從而能夠對永磁鐵轉子産生不同方向的吸力,這是轉子旋轉的基本原理。

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

步進電機結構及工作原理(史上最詳細講解各種步進電機的基本結構與工作原理)2


至此,我們對電機繞組完成一個周期的電激勵,電機轉子也旋轉了一整圈。用來激勵的脈沖越多,電機轉動的角度就越大,脈沖的頻率越高,電機的轉速也就越快,但不能超過最高頻率,否則電機的力矩迅速減小,電機将不會旋轉。

我們可以使用時序圖來表示前述整個驅動過程,如下圖所示。

步進電機結構及工作原理(史上最詳細講解各種步進電機的基本結構與工作原理)3


步進電機結構及工作原理(史上最詳細講解各種步進電機的基本結構與工作原理)4

步進電機結構及工作原理(史上最詳細講解各種步進電機的基本結構與工作原理)5

圖中的驅動(Driver)模塊用來提升驅動能力,因為一般處理器的IO引腳的電流不足以直接驅動電機旋轉,後續會再詳細讨論。

我們把按上述順序驅動電機旋轉的勵磁方式稱為全步模式(full-stepping),在英文數據手冊中可能會标記為“1-1phase”。此種激勵方式中每次電流隻對一個繞組進行激勵,它的好處就是消耗的電流比較低。

當然,想讓步進電機旋轉的勵磁方式還有很多,例如我們也可以每次同時對兩個繞組進行激勵,激勵順序依次為A與B、B與A’、A’與B’、B’與A、A與B……具體情況如下圖所示。

步進電機結構及工作原理(史上最詳細講解各種步進電機的基本結構與工作原理)6

這種勵磁方式也是全步驅動,英文數據手冊中可能會标記為“2-2phase”。由于兩個繞組同時通電,所以相對之前的勵磁方式可以獲得更好的扭矩和速度,隻是要多消耗一些電流。使用時序圖可表示如下

步進電機結構及工作原理(史上最詳細講解各種步進電機的基本結構與工作原理)7

步進電機結構及工作原理(史上最詳細講解各種步進電機的基本結構與工作原理)8

步進電機結構及工作原理(史上最詳細講解各種步進電機的基本結構與工作原理)9

另外一種比較複雜的微步驅動方式(microstepping),它的時序波形如下圖所示:

步進電機結構及工作原理(史上最詳細講解各種步進電機的基本結構與工作原理)10

可以看到,兩個繞組被兩個相隔90o的正弦波激勵(總體波形與“2-2-phase”相同,隻不過激勵電流不是矩形波),隻要控制流過繞組的方向和幅度,就可以增加電機在一次完整旋轉時所需要的步數,這種方式具有良好的扭矩和平衡的操作,大家現在了解一下即可,後續再詳細讨論。

當然,我們目前讨論的電機可以說最簡單的,再來看一個雙相六極電機,如下圖所示。

步進電機結構及工作原理(史上最詳細講解各種步進電機的基本結構與工作原理)11

與雙相雙極電機唯一不同的是,轉子包含了3個永磁鐵,擁有6個磁極,我們同樣看一下它的驅動方式,如下圖所示(以轉子上的紅色N極為參考基準):

步進電機結構及工作原理(史上最詳細講解各種步進電機的基本結構與工作原理)12


步進電機結構及工作原理(史上最詳細講解各種步進電機的基本結構與工作原理)13

當然,步進電機根據力矩産生的原理可以分為三種類型,其一為永磁步進電機(PermanentMagnet,PM),也稱為永磁或激磁式步進電機,它的永磁轉子會根據施加的脈沖被排斥或吸引到定子,我們前面讨論的就是這種,它具有動态性能好,輸出力矩大的特點;

其二為可變磁阻步進電機(Variable Reluctant, VR),也稱為反應式步進電機,它的轉子由軟磁材料組成,被定子磁極吸引後通過定子和轉子之間的最小磁阻提供運動,它的結構簡單,成本低,但是動态性能差、效率低、發熱量也大。

其三為混合同步步進電機(Hybrid synchronous, HB):它是可變磁阻和永磁步進電機的組合。

我們來看看三相可變磁阻步進電機的基本結構,如下圖所示:

步進電機結構及工作原理(史上最詳細講解各種步進電機的基本結構與工作原理)14

可以看到,可變磁阻步進電機與永磁步進電機的結構差不多,主要區别在于轉子不再是永磁鐵,而是由軟磁材料(如矽鋼片)制造的,轉子周圍均勻分布了一些齒子,這裡特别需要注意:轉子齒與定子齒之間的對應關系當轉子的一對齒子與一對定子齒對齊時,轉子的另一對齒子恰好指向定子齒的間隙處,也就是我們所說的錯齒,它是步進電機旋轉的原因

我們具體來看看它的驅動原理,如下圖所示。

步進電機結構及工作原理(史上最詳細講解各種步進電機的基本結構與工作原理)15

至此,轉子旋轉了90o。然後緊接着再依次從繞組A’、B’、C’、A、B、C….注入電流即可使轉子持續旋轉,我們把依次激勵繞組A、B、C、A’、B’、C’、A、B、C…的方式稱為三相單三拍驅動方式。與永磁式步進電機相似,也可以每次同時将電流注入兩個繞組,即繞組激勵次序為AB、BC、CA’、A’B’、B’C’、C’A、AB…..,這種勵磁方式稱為三相雙三拍驅動方式。還可以混合三相單三拍三相雙三拍方式進行驅動(步距角為15o),也稱為三相六拍驅動方式,我們就不再贅述了,你懂的。

再來看一下四相步進電機的結構,如下圖所示:

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很明顯,轉子的齒數越多,步距角就越小,相應的定子上也會細分更多均勻分布的小齒。轉子齒數為40的三相步進電機如下圖所示

步進電機結構及工作原理(史上最詳細講解各種步進電機的基本結構與工作原理)19

相應的定子與轉子展開圖如下所示:

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