步进电机

按结构分类：

1、反应式（Variable Reluctance，VR）

转子是电工纯铁，定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

2、永磁式（Permanent Magnet,PM）

转子是永久磁铁，永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。

3、混合式（Hybrid Stepping,HS）

转子是永久磁铁+电工纯铁，混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

 

术语：

单极性：步进电机的线圈是只允许单向导电

双极性：步进电机的线圈是可以双向导电的

励磁：给定子绕组通电，会产生磁场

相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示

拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A

步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度/（转子齿数*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）

定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）

静转矩：电机在额定静态电压作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音

步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内

失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数，称之为失步

失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的

最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率

最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率

运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本

 

原理：

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

1、工作原理

当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

步进电机属于是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的、多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的、多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机那样在常规下使用。

2、发热原理

通常见到的各类电机，内部都是有铁芯和绕组线圈的。绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。

3、工作过程

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图中A相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励，如图中的(b)，转子向反时针转过15°。若是D相被激励，如图中的(c)，则转子为顺时针转过15°。下一步是C 相被激励。因为C相有两种可能性：A—B—C—D或A—D—C—B。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15°。电机步长(步距角)是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数)，可以改变步长的大小。它们之间的相互关系，可由下式计算：

Lθ＝360 P×N

式中：Lθ为步长；P为相数；N为转子齿数。在图中，步长为15°，表示电机转一圈需要24步

 

步进方式：

1、单拍：（单四拍工作方式）

单拍工作方式就是说每次只给一个线圈通电，通过改变每次通电的线圈从而使步进电机转动。

先说五线四相步进电机，假设它的四个线圈叫做 A、B、C、D，那么在单拍工作方式下，线圈的通电方式依次是：A、B、C、D；

然后是四线双极性步进电机，假设它的两个线圈叫做 A、B，那么在单拍工作模式下，线圈依次是：A、B、-A、-B；

【注】A、B指的是A、B线圈通正向电流，-A、-B指的是A、B线圈通反向电流。由于五线四相步进电机无法通反向电流，所以只有A、B、C、D。

当然上面说的都仅仅只是理论，我们记忆的话自然有简便方法：

下面是五线四相步进电机：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

下面是四线双极性步进电机：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

2、双拍：（双四拍工作方式）

双拍工作方式就是：每次给两个线圈通电，通过改变通电的线圈从而使步进电机转动。

五线四相步进电机：在双拍工作方式下，线圈的通电方式依次是：AB、BC、CD、DA；

四线双极性步进电机，在双拍工作模式下，线圈的通电方式依次是：AB、B-A、-A-B、-BA；

3、单双拍（八拍工作方式）

单双拍工作方式就是单拍工作方式和双拍工作方式交替进行。

五线四相步进电机：A、AB、B、BC、C、CD、D、DA；

四线双极性步进电机：A、AB、B、B-A、-A、-A-B、-B、-BA；

 

4、参考视频

https://www.bilibili.com/video/av55852703/

https://v.qq.com/x/page/a0358vpzn6t.html

https://v.qq.com/x/page/i0525yt61ww.html

 

文章参考自：http://www.iw168.cn/news/jxcs/10401.html

https://zhuanlan.zhihu.com/p/72520669

https://zhidao.baidu.com/question/617610573818621932.html

http://www.elecfans.com/dianzichangshi/20170609523167.html

http://www.gzweix.com/article/sort0250/sort0251/sort0288/info-244525.html

https://blog.csdn.net/cbw54/article/details/88367500