基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1．步進(jìn)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)（如圖1所示）

圖 1 步進(jìn)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖

2．工作原理

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)外來(lái)的控制脈沖和方向信號(hào)， 通過(guò)其內(nèi)部的邏輯電路，控制步進(jìn)電機(jī)的繞組以一定的時(shí)序正向或反向通電，使得電機(jī)正向/反向旋轉(zhuǎn)，或者鎖定。

以1.8度兩相步進(jìn)電機(jī)為例：當(dāng)兩相繞組都通電勵(lì)磁時(shí)，電機(jī)輸出軸將靜止并鎖定位置。在額定電流下使電機(jī)保持鎖定的最大力矩為保持力矩。如果其中一相繞組的電流發(fā)生了變向，則電機(jī)將順著一個(gè)既定方向旋轉(zhuǎn)一步（ 1.8度）。

同理，如果是另外一項(xiàng)繞組的電流發(fā)生了變向，則電機(jī)將順著與前者相反的方向旋轉(zhuǎn)一步（ 1.8 度）。當(dāng)通過(guò)線圈繞組的電流按順序依次變向勵(lì)磁時(shí)，則電機(jī)會(huì)順著既定的方向?qū)崿F(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)，運(yùn)行精度非常高。對(duì)于1.8度兩相步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周需200步。

兩相步進(jìn)電機(jī)有兩種繞組形式：雙極性和單極性。

雙極性電機(jī)每相上只有一個(gè)繞組線圈，電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)電流要在同一線圈內(nèi)依次變向勵(lì)磁，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上需要八個(gè)電子開(kāi)關(guān)進(jìn)行順序切換。單極性電機(jī)每相上有兩個(gè)極性相反的繞組線圈，電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)只要交替對(duì)同一相上的兩個(gè)繞組線圈進(jìn)行通電勵(lì)磁。

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上只需要四個(gè)電子開(kāi)關(guān)。在雙極性驅(qū)動(dòng)模式下，因?yàn)槊肯嗟睦@組線圈為100%勵(lì)磁，所以雙極性驅(qū)動(dòng)模式下電機(jī)的輸出力矩比單極性驅(qū)動(dòng)模式下提高了約40%。

步進(jìn)電機(jī)的特性

1、 精準(zhǔn)的位置控制

依照輸入脈沖的數(shù)量，確定軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于輸入電脈沖的頻率，可以實(shí)現(xiàn)精確控制和方便調(diào)節(jié)。因此被廣泛地應(yīng)用于各種運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域。

3、 正向/反向轉(zhuǎn)動(dòng)，急停及鎖定功能

在整個(gè)速度范圍內(nèi)都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)力矩和位置的有效控制，包括靜力矩。在電機(jī)鎖定狀態(tài)下（電機(jī)繞組中存在電流，而外部沒(méi)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(zhǔn)位置控制

步進(jìn)電機(jī)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(yùn)行，同時(shí)輸出較大的力矩，避免了功率的損耗和角度位置偏差，同時(shí)降低了成本，節(jié)省了空間。

5、 更長(zhǎng)的使用壽命

步進(jìn)電機(jī)的無(wú)電刷設(shè)計(jì)保證了電機(jī)的使用壽命很長(zhǎng)。步進(jìn)電機(jī)的壽命通常取決于軸承。

振動(dòng)與噪音

一般來(lái)講，步進(jìn)電機(jī)在空載運(yùn)行情況下，當(dāng)電機(jī)的運(yùn)行頻率接近或等于電機(jī)轉(zhuǎn)子的固有頻率時(shí)會(huì)發(fā)生共振， 嚴(yán)重的會(huì)發(fā)生失步現(xiàn)象。

針對(duì)共振的問(wèn)題，有以下幾種解決方案：

A. 避開(kāi)振動(dòng)區(qū)

使電機(jī)的工作頻率不落在振動(dòng)范圍內(nèi)。

B. 采用細(xì)分的驅(qū)動(dòng)模式

使用微步驅(qū)動(dòng)模式，將原來(lái)的一步細(xì)分為多步運(yùn)行，提高電機(jī)的每步分辨率，從而降低振動(dòng)。這可以通過(guò)調(diào)整電機(jī)的相電流比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。微步并不會(huì)增加步距角精確度，卻能使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，噪音更小。一般電機(jī)在半步運(yùn)行時(shí)，力矩會(huì)比整步時(shí)小15%，而采用正弦波電流控制時(shí)，力矩將減小30%。

小結(jié)

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，我們經(jīng)常用到步進(jìn)電機(jī)，比如，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶軸，實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；再比如，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠軸，也可以把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。因?yàn)椴恍枰答佅到y(tǒng)，所以步進(jìn)電機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)實(shí)用并且可以獲得不錯(cuò)的精度。其實(shí)，除了機(jī)器中的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，生活中也可以發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的存在，比如打印機(jī)，掃描儀，相機(jī)，ATM機(jī)，3D打印機(jī)等等。

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