步進(jìn)電機(jī)是怎樣工作的？它有哪些特點？

在本節(jié)中，我們將學(xué)習(xí)如下一些內(nèi)容：

1）什么是步進(jìn)電機(jī)；

2）與步進(jìn)電機(jī)相關(guān)的一些基本概念；

3）步進(jìn)電機(jī)的分類與結(jié)構(gòu)；

4）步進(jìn)電機(jī)的特點；

1.1、什么是步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種基于電磁感應(yīng)原理、把電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或線位移的開環(huán)控制電機(jī)，是工業(yè)控制系統(tǒng)中一種常見的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（注：工業(yè)控制系統(tǒng)由控制器、控制元件、傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成）。

步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部由轉(zhuǎn)子和定子組成，下面這張圖是一個兩相步進(jìn)電機(jī)的外觀圖：

 

1.2、步進(jìn)電機(jī)相關(guān)的基本概念

1.2.1、相數(shù)：是指步進(jìn)電機(jī)定子繞組的組數(shù)（即內(nèi)部線圈的個數(shù)）。常見的有兩相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)；

1.2.2、步距角：步進(jìn)電機(jī)接收一個脈沖信號后所轉(zhuǎn)過的角度，步距角在電機(jī)出廠時已經(jīng)確定，會寫在電機(jī)上。一般兩相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相電機(jī)的步距角為0.75°/1.5°，五相電機(jī)的步距角為0.36°/0.72°；如果不使用細(xì)分驅(qū)動器，只能靠選擇不同步距角的步進(jìn)電機(jī)來滿足控制要求。細(xì)分驅(qū)動器可以改變步進(jìn)電機(jī)的步距角，這個我們將在第二節(jié)《認(rèn)識步進(jìn)驅(qū)動器》中介紹；

1.2.3 、保持轉(zhuǎn)矩（holding torque）：是指步進(jìn)電機(jī)繞組通電且轉(zhuǎn)子沒有轉(zhuǎn)動時，使電機(jī)能夠移動完整的一步所需要的扭矩。保持轉(zhuǎn)矩主要受電機(jī)繞組所允許的最大電流限制，通常大于運(yùn)行轉(zhuǎn)矩（running torque）。保持轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，它的優(yōu)點在于可以使負(fù)載保持在某個位置。在不特別指明的情況下，通常說的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就是指保持轉(zhuǎn)矩。比如，某步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為3.5NM，就是指其保持扭矩為3.5NM；

1.2.4、阻尼轉(zhuǎn)矩（detent torque）：是指步進(jìn)電機(jī)繞組在不通電的情況下，由其本身的機(jī)械特性（永磁性結(jié)構(gòu)）所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。在不通電的情況下，用手去轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子可以感受到阻尼轉(zhuǎn)矩；

1.3、步進(jìn)電機(jī)的分類與結(jié)構(gòu)

步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部由轉(zhuǎn)子（rotor）和定子（stator）組成。

當(dāng)定子線圈通電時，會產(chǎn)生感應(yīng)磁場，感應(yīng)磁場與轉(zhuǎn)子相互作用使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度。

根據(jù)勵磁方式的不同，步進(jìn)電機(jī)可分為：永磁式、反應(yīng)式（磁阻式）和混合式三種。

1.3.1、永磁式（permanent magnet stepper motor）

永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子（rotor）是一種永磁性的、柱狀結(jié)構(gòu)，具有N極和S極；定子是具有對稱結(jié)構(gòu)的勵磁線圈；當(dāng)定子線圈通入直流電后，根據(jù)安培右手定律，線圈的兩端會產(chǎn)生磁場；定子產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子的永磁性材料相互作用從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。通過給定子繞組交替通電，就能控制轉(zhuǎn)子按照某個方向交替運(yùn)動；

永磁式步進(jìn)電機(jī)的定子/轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如下圖所示：

 

1.3.2、反應(yīng)式（variable reluctance stepper motor）

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)也稱為磁阻式步進(jìn)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子是一個非磁性的、軟鐵性質(zhì)的、齒狀結(jié)構(gòu)；其定子由勵磁線圈組成；由于轉(zhuǎn)子是非磁性結(jié)構(gòu)，因此在定子沒有通電之前，定子與轉(zhuǎn)子之間沒有任何磁性相互作用。因此，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)沒有阻尼轉(zhuǎn)矩（detent torque）。

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如下：

 

1.3.3、混合式（hybrid stepper motor）

顧名思義，混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)合了永磁式和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點，它的轉(zhuǎn)子采用永磁性材料，并且將其分成南極（S極）和北極（N極）兩個部分，每個部分又有很多的齒狀結(jié)構(gòu)，如下圖所示：

 

混合式步進(jìn)電機(jī)的定子由勵磁線圈組成，每一組線圈下面也具有交替分布的齒狀結(jié)構(gòu)。如下圖所示：

 

混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角小、動態(tài)性能好，是使用最廣泛的步進(jìn)電機(jī)。下面這張圖是混合式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子實物圖：

 

1.4、步進(jìn)電機(jī)的特點

步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、沒有積累誤差、只需要脈沖信號就能進(jìn)行工作，因此既可以使用PLC進(jìn)行控制，也可以使用單片機(jī)等能產(chǎn)生脈沖信號的裝置進(jìn)行控制，在工業(yè)自動化控制中使用非常廣泛。

不過其噪音和震動較大，并且可能會出現(xiàn)失步的情況，因此只適合于精度要求不高的場合。

另外步進(jìn)電機(jī)的位置和速度信號不能反饋給控制系統(tǒng)，一般只能用于開環(huán)控制。如果要構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，需要在運(yùn)動軸上增加編碼器等信號反饋裝置。