步進(jìn)電機(jī)因其在速度和位置控制精度方面的優(yōu)異性能而被廣泛應(yīng)用于電機(jī)行業(yè)。我們將深入分析步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式、工作原理以及應(yīng)用中的注意事項(xiàng)。

步進(jìn)電機(jī)是一種特殊的控制電機(jī)。它的旋轉(zhuǎn)以一個(gè)固定的角度(稱為“步進(jìn)角度”)一步一步地進(jìn)行。其特點(diǎn)是無(wú)累積誤差(精度為100%)，因此廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制中。步進(jìn)電機(jī)必須由電子設(shè)備驅(qū)動(dòng)。這個(gè)裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者每次：控制系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就通過驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)一個(gè)步進(jìn)角，所以步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比。因此，控制步進(jìn)脈沖信號(hào)的頻率可以精確地給電機(jī)速度；通過控制步進(jìn)脈沖的數(shù)量，可以精確定位電機(jī)。這種線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期誤差而沒有累積誤差等特點(diǎn)。在速度和位置控制領(lǐng)域，用步進(jìn)電機(jī)控制非常簡(jiǎn)單。

一、步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造（以五相步進(jìn)電機(jī)為例）

步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如下圖所示，大致分為定子和轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子1、轉(zhuǎn)子2和永磁鋼組成。

定子有10個(gè)齒狀磁極，全部用線圈纏繞。線圈對(duì)角線位置的磁極相互連接，電流流動(dòng)后線圈會(huì)被磁化成相同的極性。(比如一個(gè)線圈通過電流后，對(duì)角的磁極會(huì)同化成S極或N極。)對(duì)角線上的兩極形成一相，由于A相到E相有五相，所以稱為五相步進(jìn)電機(jī)。

轉(zhuǎn)子的外環(huán)由50個(gè)小齒組成，轉(zhuǎn)子1和轉(zhuǎn)子2的小齒在結(jié)構(gòu)上錯(cuò)開1/2節(jié)距。因此，轉(zhuǎn)子形成了100個(gè)小齒。目前有單加工到100齒的高分辨率轉(zhuǎn)子，所以高分辨率轉(zhuǎn)子有200個(gè)小齒。所以可以機(jī)械地實(shí)現(xiàn)普通步進(jìn)電機(jī)的半步分辨率(需要電氣細(xì)分)。

二、步進(jìn)電機(jī)工作原理

當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生矢量磁場(chǎng)。磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，使轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)的方向與定子的方向一致。定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度時(shí)。轉(zhuǎn)子也與磁場(chǎng)成一定角度旋轉(zhuǎn)。每次輸入電脈沖，電機(jī)都會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度向前移動(dòng)。其輸出角位移與輸入脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。因此，控制脈沖的數(shù)量和頻率以及電機(jī)各相繞組的通電順序可以用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。

三、步進(jìn)電機(jī)的控制

步進(jìn)電機(jī)的基本驅(qū)動(dòng)方式有三種：整步、半步和細(xì)分。主要區(qū)別在于電機(jī)線圈電流的控制精度(即勵(lì)磁方式)。通常步進(jìn)電機(jī)具有低頻振動(dòng)的特點(diǎn)，通過細(xì)分和協(xié)調(diào)可以提高電機(jī)低速運(yùn)行的平衡性。下面我給大家詳細(xì)介紹一下：

1、整步驅(qū)動(dòng)

在全步進(jìn)運(yùn)行中，同一個(gè)步進(jìn)電機(jī)既可以配備全/半步驅(qū)動(dòng)器，也可以配備細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，但運(yùn)行效果不同。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)脈沖/方向指令循環(huán)激勵(lì)兩相步進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)線圈(即給線圈充電設(shè)定電流)。該驅(qū)動(dòng)模式的每個(gè)脈沖將使電機(jī)移動(dòng)一個(gè)基本步進(jìn)角，即1.80度(標(biāo)準(zhǔn)兩相電機(jī)的一個(gè)圓內(nèi)有200個(gè)步進(jìn)角)。

2、半步驅(qū)動(dòng)

單相勵(lì)磁時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸停在整步位置，驅(qū)動(dòng)器收到下一個(gè)脈沖后，勵(lì)磁另一相，保持原相

來(lái)相繼處在激磁狀態(tài)，則電機(jī)轉(zhuǎn)軸將移動(dòng)半個(gè)步距角，停在相鄰兩個(gè)整步位置的中間。如此循環(huán)地對(duì)兩相線圈進(jìn)行單相然后雙相激磁步進(jìn)電機(jī)將以每個(gè)脈沖0.90度的半步方式轉(zhuǎn)動(dòng)。和整步方式相比，半步方式具有精度高一倍和低速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較小的優(yōu)點(diǎn)，所以實(shí)際使用整/半步驅(qū)動(dòng)器時(shí)一般選用半步模式。

　　3、細(xì)分驅(qū)動(dòng)

　　細(xì)分驅(qū)動(dòng)模式具有低速振動(dòng)極小和定位精度高兩大優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于有時(shí)需要低速運(yùn)行(即電機(jī)轉(zhuǎn)軸有時(shí)工作在60rpm以下)或定位精度要求小于0.90度的步進(jìn)應(yīng)用中，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器獲得廣泛應(yīng)用。

　　其基本原理是對(duì)電機(jī)的兩個(gè)線圈分別按正弦和余弦形的臺(tái)階進(jìn)行精密電流控制，從而使得一個(gè)步距角的距離分成若干個(gè)細(xì)分步完成。例如十六細(xì)分的驅(qū)動(dòng)方式可使每圈200標(biāo)準(zhǔn)步的步進(jìn)電機(jī)達(dá)到每圈200*16=3200步的運(yùn)行精度(即0.1125°)。

　　四、應(yīng)用中的注意點(diǎn)

　　1、步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場(chǎng)合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時(shí)6666PPS)，好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。

　　2、步進(jìn)電機(jī)好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。

　　3、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號(hào)電機(jī)。

　　4、電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。

　　5、高精度時(shí)，應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器來(lái)解決，也可以采用5相電機(jī)，不過其整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少。

　　五、步進(jìn)電機(jī)測(cè)試注意點(diǎn)

　　根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 20638-2006，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的測(cè)試我們一般需要關(guān)注反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)、保持轉(zhuǎn)矩、繞組溫升、矩角特性測(cè)試、牽出轉(zhuǎn)矩、高反轉(zhuǎn)頻率等測(cè)試。

　　對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)的測(cè)試，可以采用功率分析儀的測(cè)試方法直接在儀器上得出反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。對(duì)于牽出轉(zhuǎn)矩的測(cè)試，對(duì)于大基座的步進(jìn)電機(jī)，一般采用磁粉制動(dòng)器和電機(jī)測(cè)試平臺(tái)來(lái)進(jìn)行測(cè)試，小基座的步進(jìn)電機(jī)采用彈簧秤和繩子的組合方法來(lái)測(cè)試。MPT電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)目前針對(duì)步進(jìn)電機(jī)的測(cè)試可以提供整體的測(cè)試方案和測(cè)試系統(tǒng)，幫助工程師快速完善研發(fā)設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)。