步進(jìn)電機(jī)的工作原理

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的控制電機(jī)。所謂電脈沖，類(lèi)似于脈搏，感受到脈搏跳動(dòng)的時(shí)候類(lèi)似于脈沖的高電平，不跳的時(shí)候?yàn)榈碗娖剑@就是電脈沖信號(hào)。角位移單位是弧度。

步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式，永磁式，混合式。各有優(yōu)點(diǎn)，按實(shí)際需求選擇，反應(yīng)式的步距角小，精度高；永磁式的力矩大。混合式的具有精度高，力矩大的特點(diǎn)，但成本高。下面以反應(yīng)式為例說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。步進(jìn)電機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：

定子和轉(zhuǎn)子。定子和轉(zhuǎn)子在學(xué)過(guò)直流電機(jī)后就不陌生了。但是，步進(jìn)電機(jī)以三相的為例，其定子和轉(zhuǎn)子上分別有六個(gè)、四個(gè)磁極 。上圖中，A與A‘組成一相；B與B’為一相；C與C‘為一相。所以此步進(jìn)電機(jī)為三相步進(jìn)電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)電脈沖信號(hào)，就會(huì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，這個(gè)固定的角度，就是步進(jìn)電機(jī)其中的一個(gè)重要參數(shù)，步距角。細(xì)致來(lái)說(shuō)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)電脈沖信號(hào)后，A 相通電，A 方向的磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場(chǎng)軸線方向原有一定角度，則在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子被磁化，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊停止轉(zhuǎn)動(dòng)。即A 相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和 AA’ 對(duì)齊；下一個(gè)脈沖信號(hào)來(lái)， B 相通電使轉(zhuǎn)子2、4齒和 BB‘ 對(duì)齊；第三個(gè)脈沖信號(hào)來(lái)后， C 相通電使轉(zhuǎn)子3、1齒和 CC’ 對(duì)齊。這種驅(qū)動(dòng)方式即為三相三拍驅(qū)動(dòng)方式。如下圖：

所以，步進(jìn)電機(jī)是靠脈沖數(shù)量來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)的，需要轉(zhuǎn)多少圈就給相應(yīng)個(gè)數(shù)的脈沖數(shù)。因此，步進(jìn)電機(jī)能夠達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，也就是控制多長(zhǎng)時(shí)間給一個(gè)脈沖，從而達(dá)到調(diào)速的目的。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。即如果按照A、B、C相的通電順序?yàn)檎D(zhuǎn)，那么按照C、B、A相的順序通電則電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

實(shí)現(xiàn)方法：

通過(guò)對(duì)直流電機(jī)的學(xué)習(xí)，我們知道，電機(jī)是電流驅(qū)動(dòng)的元件，需要大電流才能工作。步進(jìn)電機(jī)依然。而單片機(jī)輸出口的驅(qū)動(dòng)能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，也需要借助另一個(gè)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。另一個(gè)元件即為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。單片機(jī)通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)器來(lái)間接的控制步進(jìn)電機(jī)。這里我們以四相五線制步進(jìn)電機(jī)為例，驅(qū)動(dòng)器選擇熟悉的ULN2003元件，在此也是放大驅(qū)動(dòng)電流的作用。該芯片最多可一次驅(qū)動(dòng)八線步進(jìn)電機(jī)。實(shí)例中采用的是四相無(wú)線制24BYJ-48步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電壓為5V，驅(qū)動(dòng)方式為四相四拍。

基本電路原理圖如下：